I en ampères (A) Q en coulombs (C) Δ t en secondes (s)

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1 ntroduction Définition : Le courant électrique est un mouvement d ensemble de charges électriques *. * les électrons dans les métaux, les alliages métalliques et le graphite * les ions (positifs ou négatifs) dans les électrolytes (liquides contenant des ions). Remarque : Un courant électrique ne peut s établir que dans un circuit électrique fermé, comprenant au moins un générateur. Ce générateur ne fournit pas les porteurs de charges mais fournit l énergie nécessaire à leur circulation. Par convention, le sens du courant électrique est orienté G du vers le du générateur (en passant par l extérieur du générateur). Récepteur ntensité Pendant la durée Δ t, n électrons traversent une section quelconque d un conducteur métallique du circuit électrique ; ces électrons transportent une quantité d électricité Q= n e (e : charge élémentaire ; c est la charge de 19 l électron : e 1,6 10 C). L intensité du courant électrique est définie par la quantité d électricité transportée par unité de temps, soit : Q = t en ampères () Q en coulombs (C) Δ t en secondes (s) L intensité du courant électrique dans un circuit, se mesure à l aide d un ampèremètre, que l on insère en série dans celui-ci. Ci-contre, l ampèremètre mesure. Si l indication est positive, le courant circule effectivement dans le sens indiqué. COM

2 2 Chapitre 1 Remarque : L intensité qui traverse un voltmètre est toujours très faible ; on pourra la considérer comme nulle, dans la plupart des cas. Loi des nœuds Un nœud est une connexion, qui relie au moins trois fils. Loi des nœuds : La somme des intensités des courants arrivant à un nœud est égale à la somme des intensités des courants sortant du nœud. Exemple : 2 = Généralités Le passage du courant électrique, entre deux points et d une portion de circuit, n est possible que s il existe entre ces deux points une différence de potentiel électrique. U représente la tension entre les points et ; elle est schématisée par une flèche dont la pointe est tournée vers. U U = V V dipôle V et V sont respectivement les potentiels des points et, par rapport à un potentiel de référence (généralement la masse : V = 0V). Mesure La tension électrique, aux bornes d un dipôle, se mesure à l aide d un voltmètre, que l on place en parallèle (ou en dérivation) sur celui-ci. Le voltmètre ci-contre, ainsi COM V branché, mesure la tension U. V Cette tension peut être soit positive soit négative. La tension électrique est une grandeur algébrique et on a : U =U. Remarque : Pour un dipôle récepteur, le sens conventionnel du courant électrique est celui des potentiels décroissants. dipôle M

3 Lois fondamentales en courant continu 3 Loi des mailles Une maille est un chemin fermé, passant par différents points d un circuit électrique. Pour appliquer la loi des mailles, il faut respecter les règles suivantes : On choisit un sens de parcours arbitraire de la maille et un point de départ. On affecte du signe les tensions dont la flèche indique le même sens. On affecte du signe les tensions dont la flèche indique le sens contraire. Exemple : U 1 E US U2 U1 = 0 E U 2 U S Remarques : La tension électrique aux bornes d un ampèremètre est toujours faible ; on la considérera comme nulle. ntroduction Lorsque l on relie un dipôle générateur et un dipôle récepteur, ils ont en commun l intensité du courant électrique et la tension U entre leurs bornes. Ce fléchage commun impose à l un des dipôles d être en convention générateur Dipôle 1 (flèches tension et intensité dans le même sens ; sur le schéma ci-contre, c est le dipôle U 1) alors que le second (dipôle 2) est en convention récepteur (flèches tension et Dipôle 2 intensité dans des sens opposés). En convention récepteur La puissance électrique «reçue» (algébriquement) par un dipôle D quelconque, s écrit : Pél = U D U

4 4 Chapitre 1 Deux cas sont alors possibles : U > 0 : le dipôle reçoit effectivement de l énergie ; il fonctionne en récepteur. U < 0 : le dipôle perd effectivement de l énergie ; il fonctionne en générateur. En convention générateur La puissance électrique «perdue» (algébriquement) par un dipôle D quelconque, s écrit : Pél = U D Deux cas sont alors possibles : U > 0 : le dipôle perd effectivement de l énergie ; il fonctionne en générateur. U < 0 : le dipôle reçoit effectivement de l énergie ; il fonctionne en récepteur. Résumé : Convention générateur Convention récepteur U > 0 Dipôle générateur Dipôle récepteur U < 0 Dipôle récepteur Dipôle générateur U

5 Lois fondamentales en courant continu a) Un corps porte une charge q 1 = 10 C. Porte t il un excès ou un défaut d électrons? b) Calculer le nombre d électrons correspondant. 2. On le met en contact avec un autre corps identique mais portant une 8 charge q 2 =2 10 C. Quelle est la charge portée par chaque corps après un contact prolongé? 19 On donne : charge élémentaire : e 1,6 10 C Dans le cyclotron du C.E.R.N., à Genève, des protons décrivent plusieurs fois un cercle de 200 m de diamètre, à très grande vitesse. Le faisceau de protons est équivalent à un courant d intensité 100 μ. En déduire le nombre de protons qui traversent une section du cyclotron pendant une seconde. Rappel : Un proton est un constituant des noyaux atomiques ; il porte une 19 charge élémentaire positive e 1,6 10 C. Un fil métallique cylindrique contient N électrons «libres» par mètre cube. Dans ce fil, les électrons circulent à la vitesse d ensemble moyenne v ; on dit que ce conducteur est parcouru par un courant d intensité. 1. Faire un schéma de la situation et donner la relation qui existe entre, N, S, v et e (charge élémentaire portée par un électron). S représente la surface de la section droite du fil. 2. Calculer le débit d électrons à travers la section S pour une intensité = 2 m. 19 On donne : e 1,6 10 C.

6 6 Chapitre 1 Certains objets sont recouverts par une mince couche d argent par électrolyse d une solution contenant des ions argent (g ) et des ions chlorure (Cl ). L une des électrodes (la cathode) est constituée par les éléments métalliques à argenter et l autre (l anode) est un bloc de métal argent. Les réactions qui se produisent aux électrodes sont : (s) G aq g g 1 e aq g 1e g 1. a) Compléter le schéma ci-après en indiquant le sens conventionnel du courant. le sens de circulation et la nature des porteurs de charge (ions ou électrons) dans chaque portion de circuit électrique. (s) cathode anode g Cl g b) Quelle est, alors, des deux réactions proposées, celle qui se produit à l anode? à la cathode? Justifier les réponses. 2. Cette électrolyse permet de déposer environ m = 10 g d argent en Δ t = 1h. a) En déduire la quantité d électricité Q qui doit traverser le circuit pour obtenir ce dépôt. b) En déduire l intensité du courant en supposant que cette intensité demeure constante pendant toute l opération d argenture. Données : 1 Masse molaire atomique de l argent : M(g) = 108 g.mol Une mole d électrons porte une charge électrique égale à C (en valeur absolue).

7 Lois fondamentales en courant continu 7 Pour exprimer la charge d une batterie, on utilise une unité de quantité d électricité plus grande que le coulomb et donc mieux adaptée ; il s agit de l ampère-heure (symbole : h). L ampère-heure représente la quantité d électricité débitée par un courant d intensité 1 durant 1 h. Une automobile possède une batterie de «capacité» Qmax = 60h. Lors du démarrage de cette voiture, l intensité du courant électrique débité vaut = Combien de temps peut-on, théoriquement, actionner le démarreur? 2. En fait, la batterie est détériorée si sa charge tombe à moins de 20 % de sa valeur nominale. Répondre à la même question que précédemment. 3. Le dispositif d éclairage de la voiture consomme environ ' = 12 lorsqu il fonctionne seul. Moteur arrêté, combien de temps la batterie (supposée bien chargée) peut-elle alimenter ce dispositif d éclairage? Remarque : la «capacité» est la quantité d électricité maximale que peut fournir la batterie. Déterminer le sens des courants et l intensité des courants traversant les dipôles récepteurs D 1, D 2, D 3, D 4, D 5 et D 6. 1 D C 6 5 D 1 D 4 D 5 D 6 D 3 3 D On donne : = 4,0, 1 = 1,0, 4 = 0,2, 6 = 1,8

8 8 Chapitre 1 On dispose d un voltmètre numérique et d un oscilloscope pour mesurer les tensions U C et U. Comment doit-on brancher ces appareils afin de relever ces tensions? C COM V V C luminosité Temps Représenter, par des flèches, les tensions U C, U D et U E. 2. Flécher les courants. 3. ppliquer la loi des mailles pour trouver les tensions U S et U M. C D 2 E US M UM On donne : U D =16V D D 1 F U E =0,5V La tension délivrée par le générateur est de 24 V La tension aux bornes de la lampe est de 6 V