Hugues Ott Maître de Conférences à l IUT Robert Schuman Université de Strasbourg Département Chimie

Transcription

1 Courant Continu Hugues Ott Maître de Conférences à l IUT obert Schuman Université de Strasbourg Département Chimie

2 Lois fondamentales du courant continu Nature du courant électrique Intensité électrique Tension électrique Lois de Kirchhoff Loi des noeuds Loi d addition des tensions Théorème de Millmann Loi d Ohm Ponts de mesures Énergie et Puissance électriques

3 Le courant électrique Déplacement de porteurs de charges électriques solides liquides gaz métaux semi conducteurs électrolytes plasma e libres e libres trous lacunes e ions ions Vitesse des porteurs de charges dans un conducteur est faible (mm/s).

4 Conducteurs Semiconducteurs Isolants H He Li e C N O F Ne Na Mg l P S Cl r K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge s Se r Kr b Sr Y Zr Nb Mo Tc u h Pd g Cd In Sn Sb Te I Xe Cs a La Hf Ta W e Os Ir Pt u Hg Tl Pb i Po t n Métaux Semiconducteurs Métalloïde s

5 Cristal de silicium bsence Le Chaque silicium de électron est porteurs tétravalent de de valence chargest engagé dans une liaison covalente Pur, le silicium est isolant à très basse température Lorsque la température augmente, il devient conducteur kt/40ev à 25 C

6 L agitation thermique suffit à libérer le 5 e électron non engagé dans une liaison covalente Dopage: on introduit quelques atomes pentavalents (P ; s ; Sb) Il s établit une conduction par électrons Sb Semiconducteur N Porteurs mobiles électrons Porteurs fixes ions positifs Sb De très faibles traces d impuretés modifient d une façon considérable la conduction d un semiconducteur

7 Semiconducteur P On introduit quelques atomes trivalents ( ; l ; Ga ; In) Ga Porteurs mobiles trous Porteurs fixes ions négatifs Ga L atome ne peut engager que 3 e périphériques dans des liaisons covalentes il apparaît une «lacune» d électron, un «trou» là où se trouve un atome Ga rupture d une liaison voisine un e va combler ce «trou» cette lacune d électron s est déplacée sur l atome voisin il s établit une conduction par «trous».

8 égime continu et alternatif égime continu égime alternatif indépendant du temps le sens du courant variable au cours du temps constante Intensité fonction périodique du temps lettres majuscules I U notation lettres minuscules i(t) u (t)

9 nalogies électriques Vanne ésistance Pompe Générateur Débit eau Courant

10 Intensité électrique L intensité I d un courant à travers un conducteur de section S est égale à la charge électrique qui traverse S par unité de temps. (mpère) I dq dt C (Coulomb) s (seconde) durée dt Charge dq n e.e S nbre électrons dn e

11 Intensité électrique : suite Le sens conventionnel est opposé au déplacement des charges négatives. e I La mesure de l intensité s effectue à l aide d un ampèremètre. L ampèremètre est placé en série dans le circuit. La résistance d un ampèremètre est faible. I

12 utres définitions de l mpère INTECTION MGNETIQUE ELECTOLYSE m g NO 3 I m I g F F N m F l 2 ( 2) () I d I I en s il se dépose une masse de,8mg g m

13 Tension électrique Définition qualitative on dit qu il existe une tension électrique entre deux points et s il existe une dissymétrie dans la répartition des charges électriques entre et. Conséquence de cette dissymétrie : déplacement des charges s il se trouve entre les deux points une suite de conducteurs.

14 Commentaires Le potentiel électrique en un point représente la concentration des charges en ce point est maximal à la borne d un générateur de tension est minimale à la borne d un générateur de tension est défini à une constante près s exprime en volt n est pas accessible à la mesure Une différence de potentiel entre deux points et est appelée tension électrique entre ces deux points notée U V V représentée par une flèche tension de sens inverse de celui du courant aux bornes d un récepteur de même sens que celui du courant aux bornes d un générateur Il existe toujours une tension aux bornes d un générateur (circuit ouvert ou fermé) La tension aux bornes d un fil sera considérée comme nulle

15 Commentaires : suite 2 e indice Tension électrique ou différence de potentiel U V V eprésentation flèche tension e indice U Pointe de la flèche Pied de la flèche La tension électrique se mesure au voltmètre Le voltmètre se place en dérivation dans le circuit v élevée V

16 Définition quantitative La tension électrique entre deux points et est égale à la circulation du vecteur champ électrostatique entre et E r.dl V V U représente le travail nécessaire pour déplacer une charge unité de en W q(v V ) qu le travail d une force Force x déplacement travail élémentaire Force x déplacement infinitésimal W dw q.e.dl r q E.dl r q.u dw F.dl s q.e. r dl

17 Les lois de Kirschhoff (Ensemble de branches formant un circuit fermé) Loi des noeuds Loi des mailles U I 2 noeud I I 4 I 3 U D U C I entrant I sor tan t I I 3 I4 I 2 D U DC Ui i 0 UD UDC UC U C 0

18 D C V V V V Le théorème de Millmann est la traduction de la loi des nœuds. Il permet de déterminer le potentiel en un point. M V V M V V C M C V V D M D V V 0 Théorème de Millmann M C D D C i i i M V V D C D C M V

19 La loi d Ohm Conducteur filiforme I v S S Porteurs de charges e libre Vitesse moyenne dl v dt dl Distance parcourue pendant la durée dt Les électrons ayant traversé la section S pendant la durée dt sont ceux qui se trouvaient dans le volume Soit n la densité volumique e libre d l v. dt d τ S.dl n dn(e libre dτ ) d τ S.v.dt Nbre e libre contenus dans le volume dt dn(e libre ) n.dτ Charge contenue dans le volume dt dq n.dτ. e dq n.e.s.v.dt Charge élec traversant la section S pendant le temps dt dq I dt n.e.s.v

20 Loi d Ohm : suite Le déplacement e libre est du au champ électrique E La vitesse e libre est proportionnelle au champ E m mobilité Expression de l intensité électrique U I n.e.s.v E U l v µ. E I n.e.s. µ. l I U.I n.e. µ S U l U v µ. l G La tension appliquée est proportionnelle à l intensité du courant qui le traverse. La constante de proportionnalité notée est appelée résistance du conducteur Un conducteur qui suit la loi d Ohm est appelé un conducteur ohmique La résistance d un fil conducteur conductivité γ ρ résistivité l ρ S Conductance longueur conducteur section conducteur

21 Loi d Ohm : suite I V U V V. I

22 ssociation de conducteurs ohmiques En série Parcourus par le même courant En dérivation Deux bornes communes Tension commune W 2 i 00 W i 200 W 00 W 00 W 50W

23 Ponts de mesures Circuit électrique destiné à la mesure résistances en régime continu (Wheatstone) impédances en régime alternatif ( Hay Maxwell Sauty Wien) Circuit constitué de 4 branches 2 résistances connues résistance variable résistance inconnue un détecteur de zéro (Galvanomètre Oscilloscope) i Pont de Wheatstone On règle pour obtenir i 0 0 i i 2 x i 0 C O D E 2 3 On dit alors que le pont est équilibré V C V D U U C U D C U D 2 x 3 Þ Þ.I x. I 2 2.I 3. I x x 3 2

24 Energie & Puissance Energie que la source de courant doit fournir pour déplacer les porteurs de charges dw W F.dl s dq.e. r dl W Joule (J) dq dw dt E.dl r u (en V) dq.e.dl r i.dt.u dq.u dq I dq.i.dt E r.dl I.dt (en ) U (en s) Watt (W) P > 0 P < 0 P Energie électrique par unité de temps W dt u (en V).i (en ) le dipôle est un récepteur le dipôle est un générateur