Niveau 3 ème Physique - Chimie Document du professeur 1/5 Programme A. La chimie, science de la transformation de la matière A1 - Métaux, électrons et ions A1.2 - Conduction électrique et structure de la matière Connaissances Capacités Exemples d'activités L ELECTRON : COMPRENDRE LA CONDUCTION ELECTRIQUE DANS LES METAUX Tous les solides conduisent-ils le courant électrique? Tous les métaux conduisent le courant électrique. Tous les solides ne conduisent pas le courant électrique. La conduction du courant électrique dans les métaux s interprète par un déplacement d électrons. Pré requis de l élève o La notion de conducteur et isolant ; o Le sens conventionnel du courant. Mots-clé o Conducteur, o Isolant, o Electrons libres, o Sens conventionnel du courant. Comparer le caractère conducteur de différents solides à l aide d un circuit électrique. Liste de matériel Poste élève Référence o Générateur de courant continu 01989 o Ampèremètre 02584 o Lampe 6V- 100 ma 03703 o Support pour lampe 03994 o Fils de connexion rouge 60000 o Fils de connexion noir 60001 o Deux pinces crocodiles 04078 o Plaque de fer 01412000 o Plaque de cuivre 01305000 o Plaque de zinc 01982000 o Plaque d aluminium 01066000 o Sel de cuisine o Sucre o Sulfate de cuivre II 01317250 o Trois coupelles 06662 Conductibilité électrique de solides Étude expérimentale du caractère conducteur ou non du cuivre et du fer, du sucre, du sel et du sulfate de cuivre solides. Activité documentaire sur l histoire de l électron. [Technologie : environnement et énergie : isolants et conducteurs thermiques et électrique] Conductibilité électrique de solides (page 1)
Document du professeur 2/5 Remarques, astuces o Pour comparer le caractère plus ou moins conducteur du fer, du cuivre, du zinc et de l aluminium, des plaques de dimensions identiques sont nécessaires. Nous conseillons ici des plaques de dimensions : 120 30 1 mm. o Le sucre, le sel et le sulfate de cuivre II doivent être bien secs pour l expérience et déposés dans des soucoupes propres et sèches afin de ne pas fausser les résultats. o En fonction du niveau de la classe ou des élèves, le calibre de l ampèremètre pourra être imposé par l enseignant ou à laisser déterminer par les élèves, le professeur vérifiant ensuite. Prolongements Prolongements o o Histoires des sciences : la découverte de l électron Histoire des sciences : John Joseph Thomson Sa vie John Joseph Thomson est né le 18 décembre 1856 dans la proche banlieue de Manchester en Angleterre. Il étudie d abord à l université de Manchester puis au " Trinity College " à Cambridge. Vers l'âge de vingt-huit ans, il devient professeur de physique expérimentale succédant à Lord Rayleigh à la chaire Cavendish. Il enseigna pendant 42 ans. En 1890, il se marie avec Rose Elizabeth Paget dont il a deux enfants, Joan et George qui sera prix Nobel de physique en 1937. Également professeur à l'institut Royal de Londres, il est nommé président de la Société royale. Il est anobli en 1908. A sa mort le 30 août 1940, il est enterré dans l abbaye de Westminster. Ses récompenses J.J. Thomson reçut la médaille Hughes en 1902, le prix Nobel de physique en 1906 pour ses travaux relatifs à la conductivité électrique des gaz et la médaille Copley en 1914. Ses découvertes Durant sa vie, Thomson fit plusieurs expériences et introduisit plusieurs théories. Dans les années 1880, il se pencha sur les tubes de Crookes. À l'aide d'aimants et de champs électriques, il travailla sur le comportement des rayons cathodiques. Le 30 avril 1897, il annonça une de ses découvertes : les rayons lumineux dans le tube cathodique étaient des électrons, c'est-à-dire de la matière formée de petites particules chargées d'électricité négative. Plus tard, vers les années 1900, il mesura la charge massique de l'électron. Il proposera aussi une théorie qui sera : les atomes sont sous forme de sphères d'électricité positive dans lesquelles sont enfoncés des électrons, des grains d'électricité négative. Il observa également la production de particules positives dans le tube cathodique. Ce qui l'amena à conclure que les éléments constitutifs de l'atome étaient des particules positives et négatives. Thomson imagina un modèle atomique nommé «Plum-Pudding» dont l'agencement consistait en une enveloppe positive contenant des charges négatives. Pour toutes ses recherches il recevra le prix Nobel de physique en 1906. Modèle atomique de Thomson Conductibilité électrique de solides (page 2)
Document du professeur 3/5 Impact sur la société Les électrons jouent un rôle fondamental dans notre société, car ils sont partout. Responsables du passage du courant dans les conducteurs électriques, on les retrouve dans les domaines de la robotique, de la médecine, en aéronautique, dans la télématique. Mais aussi, on les rencontre dans la vie de tous les jours car ils sont présents dans la télévision, le microscope, les jeux vidéo, le téléphone, la radio, la calculatrice et plusieurs autres appareils Compétences qu il est possible d évaluer Expérimentales - Réaliser un circuit électrique permettant de comparer le caractère conducteur de quelques solides - Utiliser un ampèremètre - Tester la conductibilité de quelques solides - Répartir les rôles dans le groupe - Suivre un protocole - Ordonner la paillasse pour réaliser un travail correct - Ranger le matériel Théoriques - Schématiser un circuit électrique - Tirer une conclusion - Effectuer une recherche documentaire - Indiquer sur un schéma le sens conventionnel du courant - Indiquer sur un schéma le sens de déplacement des électrons. - Expliquer la nature du courant électrique dans un conducteur métallique. Conductibilité électrique de solides (page 3)
Nom : Prénom : Classe : Date : Physique Chimie Conductibilité électrique de solides Document du professeur 4/5 Objectifs o Comparer le caractère conducteur de différents solides à l aide d un circuit électrique ; o Expliquer la nature du courant électrique dans les conducteurs métalliques. ACTIVITE 1 : Tous les solides sont-ils conducteurs électriques? 1. Expérience : Vous disposez d un générateur de courant continu délivrant une tension U = 6V, de fils de connexion, de deux pinces crocodiles, d une lampe de tension nominale 6V montée sur socle, d un ampèremètre et de divers solides (plaque de fer, plaque de cuivre, plaque de zinc, plaque d aluminium, sel de cuisine, sucre et sulfate de cuivre II). a. Avec ce matériel, réaliser le circuit photographié ci-contre permettant de vérifier si le solide testé laisse ou non passer le courant électrique. b. Schématiser dans le cadre ci-contre le circuit réalisé. Indiquer par une flèche rouge le sens conventionnel du courant s il existe. c. Tester les divers solides se trouvant sur votre table. Observer l éclat de la lampe et mesurer l intensité du courant traversant le circuit. 2. Résultats : Rassembler vos résultats dans le tableau ci-dessous : Matériaux testés Eclat de la lampe Intensité du courant en ma cuivre Allumée 95 fer Allumée 89 aluminium Allumée 92 zinc Allumée 91 sucre Eteinte 0 sel Eteinte 0 sulfate de cuivre (II) Eteinte 0 Conductibilité électrique de solides (page 4)
3. Exploitation : Document du professeur 5/5 a. Quels sont les solides conducteurs du courant électrique? Le cuivre, le fer, l aluminium et le zinc sont des solides conducteurs. Ce sont tous des métaux. b. Quels sont les solides qui ne conduisent pas le courant électrique? Le sucre, le sel et le sulfate de cuivre (II) ne conduisent pas le courant électrique. c. Comment les appelle-t-on? Ce sont des isolants. 4. Conclusion : Tous les solides ne sont pas des conducteurs électriques. Les métaux sont tous des conducteurs électriques. 5. Remarque : Le corps humain est-il conducteur ou isolant? Justifier votre réponse. Le corps humain est un matériau conducteur car on peut se faire électrocuter. ACTIVITE 2 : Comment interpréter le passage du courant dans un métal? Les métaux contiennent des très petites particules chargées négativement susceptibles de se déplacer appelées électrons libres. Dans un circuit électrique fermé, le générateur provoque un déplacement d ensemble des ces électrons libres créant ainsi le courant électrique qui y circule. Il faut retenir que le sens de déplacement d ensemble des électrons qui créent le courant électrique est contraire au sens conventionnel du courant car ce sens conventionnel avait été défini bien avant la découverte des électrons. 1. Indiquer sur le schéma ci-contre le sens conventionnel du courant électrique par une flèche rouge. 2. Rechercher quel savant a défini le sens conventionnel du courant électrique. En quelle année? Il s agit d André Marie Ampère en 1820. 3. Indiquer sur le schéma le sens de déplacement des électrons libres par une flèche verte. 4. Rechercher quel savant a découvert l existence des électrons. En quelle année? Il s agit de John Joseph Thomson en 1897. e. Un matériau isolant possède t-il des électrons libres? Un matériau isolant ne possède pas d électrons libres. f. Conclusion : Dans un conducteur métallique, le courant électrique est dû au déplacement d ensemble des électrons libres sous l action d un générateur. Dans un circuit fermé, les électrons libres se déplacent de la borne - à la borne + du générateur, en sens inverse du sens conventionnel du courant électrique Conductibilité électrique de solides (page 5)