9TE-LTC Électricité page 1. Électricité

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1 9TE-LTC Électricité page 1 Électricité 1. Circuits électriques Nous considérons le circuit électrique d une lampe de poche. Dessine le circuit électrique tel que la lampe brille : Qu est-ce qu il faut changer pour que la lampe s éteigne? Quelle condition le circuit doit-il remplir pour que le courant circule? Un courant continu circule toujours dans le même sens, tandis qu un courant alternatif change constamment de sens. Quels éléments doivent se trouver dans un circuit électrique pour qu un courant y circule? Une source de courant est un élément qui fait circuler le courant électrique en fournissant une tension électrique entre ses deux bornes appelées pôle positif respectivement pôle négatif. La tension électrique est mesurée en volts (V).

2 9TE-LTC Électricité page 2 Exemples : Un récepteur transforme l énergie électrique transmise par le courant en une autre forme d énergie, p.ex. en chaleur ou en énergie de mouvement. Exemples : Un conducteur électrique est un matériau qui permet le passage du courant électrique. Exemples : Pile à 4,5 V Alternateur d une bicyclette Ampoules électriques Par opposition aux conducteurs, un isolant électrique est un matériau qui interdit le passage du courant électrique. Exemples : Un interrupteur sert à ouvrir et à fermer un circuit électrique. Il permet de couper respectivement de laisser passer le courant électrique. Les ingénieurs utilisent des symboles pour représenter dans un schéma les différents éléments d un circuit.

3 9TE-LTC Électricité page 3 Symboles utilisés dans les schémas de circuits électriques Source de courant Lampe Interrupteur Dessine le schéma d un circuit simple avec un seul récepteur : Pour alimenter deux récepteurs simultanément avec du courant électrique provenant de la même source de courant, il y a deux possibilités : le circuit-série et le circuit-parallèle. Dessine le schéma d un circuit-série avec deux récepteurs : Qu est-ce que l on observe si une des deux ampoules est enlevée? Dessine le schéma d un circuit-parallèle avec deux récepteurs : Qu est-ce que l on observe si une des deux ampoules est enlevée?

4 9TE-LTC Électricité page 4 Un court-circuit est un circuit fermé avec une source de courant dans lequel il n y a aucun récepteur. Le courant circulant à travers un court-circuit, appelé courant de court-circuit, est très intense et peut provoquer des dégâts matériels dus à un fort échauffement des éléments du circuit. L intensité du courant électrique est mesuré en ampères (A). Circuit à fonctionnement normal Court-circuit Expérience : Indique le courant dans les schémas! Observations : a) _ a) _ a) _

5 9TE-LTC Électricité page 5 b) _ b) _ b) _ c) _ c) _ c) _ Un fusible traditionnel doit être remplacé après avoir sauté. Le fil est le maillon faible du circuit : si l intensité du courant devient trop élevée, le fil fond et ouvre ainsi le circuit. Le circuit est alors protégé d un échauffement excessif. Le fusible le plus simple est constitué d un fin fil métallique qui fond en cas d un court-circuit ou si trop de récepteurs sont branchés dans le même circuit. Les fusibles modernes sont des disjoncteurs qui peuvent être réarmés après l élimination du court-circuit. 2. Effets du courant électrique Dresse une liste de tous les appareils électriques que tu as utilisés aujourd hui depuis que tu t es réveillé(e) : Appareil Effet Cherche à identifier les effets du courant qui sont mis à profit par chaque appareil À première vue, ces appareils utilisent le courant électrique à des fins complètement différentes. Toutefois, pour expliquer leur principe de fonctionnement, il suffit de distinguer quatre effets du courant électrique.

6 9TE-LTC Électricité page 6 Effet calorifique Un fil conducteur parcouru par un courant électrique se chauffe. Applications : Le conducteur se chauffe d autant plus que le fil est plus mince. Effet magnétique Un fil conducteur parcouru par un courant électrique fait apparaître des forces magnétiques : on dit que le courant est entouré d un champ magnétique. Applications : Une bobine parcourue par un courant se comporte comme un aimant. Effet lumineux Un gaz à faible pression peut émettre de la lumière, lorsqu il est parcouru par un courant électrique. Applications : Lampe fluorescente compacte (LFC) à basse consommation d énergie

7 9TE-LTC Électricité page 7 Effet chimique Un courant électrique traversant un liquide peut déclencher des réactions chimiques entre le liquide et les objets immergés. Électrolyse : Décomposition chimique d un corps grâce au passage d un courant électrique Applications : Galvanisation : procédé technique qui consiste à recouvrir un métal d une mince couche d un autre métal (chrome, zinc, ) afin de le préserver de la rouille. Dangers du courant électrique Comme le corps humain est un (mauvais) conducteur électrique, le courant électrique peut passer à travers notre corps. Les conséquences en seraient : brûlures graves, éventuellement mortelles dommages aux cellules par effet chimique contractions musculaires ; paralysies fibrillations du cœur ; arrêt cardiaque Les tensions électriques supérieures à 40 V sont dangereuses. Gare à l électrocution Ne te sers d aucun appareil électrique dans la baignoire! Actionne le disjoncteur avant de changer une ampoule! Fais réparer les appareils électriques par un spécialiste! Ne nettoie jamais à l eau un appareil électrique branché! Ne t approche pas des lignes aériennes ni de la caténaire d un chemin de fer!

8 9TE-LTC Électricité page 8 3. Charges électriques et force électrostatique Expérience Après avoir frotté un bâton en ébonite avec un chiffon de laine, on observe que le bâton attire de petits bouts de papier. Le bâton est chargé électriquement par frottement. Deux types de charges électriques existent : charge électrique positive charge électrique négative Forces électrostatiques Des charges électriques de signes opposés s attirent : attraction Des charges électriques de même signe se repoussent : répulsion Structure de la matière enveloppe avec électrons Modèle atomique noyau atomique avec protons

9 9TE-LTC Électricité page 9 Objet électriquement neutre Un atome électriquement neutre possède autant d électrons que de protons. L objet contient autant de charges positives (protons) que de charges négatives (électrons). Lorsque deux objets sont en étroit contact (p.ex. lors du frottement), des électrons (chargés négativement) peuvent passer d un objet à l autre. Objet chargé positivement Un atome chargé positivement est appelé cation : il lui manque des électrons. L objet possède un surplus de charges positives : manque d électrons Objet chargé négativement Un atome chargé négativement est appelé anion : il a des électrons de trop. L objet possède un surplus de charges négatives : surplus d électrons

10 9TE-LTC Électricité page 10 Détection d une charge électrique avec un électroscope : L électroscope ne distingue pas le signe de la charge détectée. électroscope neutre électroscope chargé avec une lampe à lueur : 4. Courant électrique et intensité Certains électrons des atomes d un métal se déplacent facilement à l intérieur du conducteur : ils sont appelés électrons libres.

11 9TE-LTC Électricité page 11 Relions par un fil métallique un objet A de charge négative à un objet B de charge positive. Que se passera-t-il? surplus d électrons fil manque d électrons Quelle est la nature du courant électrique? En comparant un circuit électrique avec un circuit d eau, nous notons les correspondances suivantes : Source de courant Récepteur Interrupteur Robinet Pompe Tuyau Relie par un trait les éléments équivalents et identifie chaque élément dans la figure! Câble Turbine

12 9TE-LTC Électricité page 12 Comment pourrait-on indiquer l intensité du courant électrique? L intensité du courant mesure la charge électrique qui traverse une section du fil par seconde. Symbole : I Unité de mesure : ampère (A) Instrument de mesure : ampèremètre Analogie Le courant électrique ressemble à un courant d eau (fleuve). Un petit ruisseau ne conduit qu une petite quantité d eau, donc son débit, son «intensité du courant», est faible. Un grand fleuve possède un grand débit : une grande quantité d eau traverse une section du fleuve en peu de temps. L ampèremètre est branché en série dans le circuit Courant d eau : Courant électrique : peu d eau petite intensité d eau beaucoup d eau grande intensité Quelques intensités de courant : Montre à quartz 1 µa Ampoule d éclairage (100 W) 430 ma Grille-pain 1,8 A Machine à laver 12 A Locomotive au démarrage 200 A Éclair 20 ka Convertis les intensités en A!

13 9TE-LTC Électricité page 13 Résistance électrique Les électrons libres constituant le courant électrique se heurtent aux atomes du conducteur. Ainsi, le conducteur s oppose au passage du courant électrique. On dit que le conducteur a une résistance électrique. Le courant électrique préfère le chemin de la moindre résistance. L unité de la résistance électrique est le ohm (Ω). La résistance électrique d un conducteur dépend du nombre des électrons libres et de leur mobilité. En fonction des dimensions et du matériau, un fil métallique a une résistance plus ou moins grande : fil plus long : résistance plus fil plus épais : résistance plus Le cuivre est un meilleur conducteur que l aluminium. Exercice Quelle intensité de courant mesure-t-on dans les fils suivants, si les fils sont branchés chaque fois à la même pile? Fil en cuivre, diamètre 0,2 mm, longueur 50 cm Fil en cuivre, diamètre 0,4 mm, longueur 50 cm Fil en fer, diamètre 0,3 mm, longueur 50 cm Fil en fer, diamètre 0,3 mm, longueur 20 cm 60 ma 15 ma 0,8 A 2,0 A Relie par un trait le fil à l intensité mesurée! Fil en cuivre, diamètre 0,5 mm, longueur 200 cm Fil en aluminium, diamètre 0,5 mm, longueur 200 cm 35 ma 55 ma

14 9TE-LTC Électricité page Tension électrique La tension électrique est une mesure de la force avec laquelle la source de courant accélère un électron à travers le circuit. La tension est une mesure de la différence entre le surplus d électrons au pôle négatif et le manque d électrons au pôle positif de la source de courant. Symbole : Unité de mesure : Instrument de mesure : U volt (V) voltmètre Analogie Un circuit électrique ressemble à un courant d eau (fleuve). Une chute d eau accélère l eau fortement : «tension» élevée. Si le fleuve présente une pente plus douce, l eau n est accélérée que lentement : basse «tension». Quelques tensions électriques : Piles et batteries (voir fig.) Accumulateur de voiture Prise domestique Prise pour un four électrique Chemins de fer (Luxembourg) Ligne à haute tension Éclair 1,5 9 V 12 V 230 V 400 V 25 kv 250 kv 100 MV Le voltmètre est branché en parallèle à l élément dont on veut mesurer la tension. Convertis les tensions en V!

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