Électricité et charges électriques
Électricité : ensemble phénomènes provoqués par charges positives et négatives
Charges électriques :
- propriétés des protons + électrons → protons positifs et électrons négatifs
- charges électriques proton + électrons même sauf signes contraires
- protons fortement retenus dans noyau → pas transférables
- électrons de valence transférables d’un atome à l’autre
→ corps chargé négativement : surplus électrons
→ corps chargé positivement : déficit d’électrons
- unité de mesure : coulomb (C) → 1 coulomb = charge de 6,25 x 10 à la 18 électron/proton
- symbole : q/Q
- 1 coulomb = multitudes de charge élémentaire → charge de 1 électron/proton
- charge électrique : charge de 1 électron/proton = 1,602 x 10 à la -19 C
Force d’attraction et de répulsion électrique :
- Charges électriques de même signe se repoussent
- charges électriques de signes opposés s’attirent
- force qui permet attraction/répulsion entre charges = force électrique
- charges électriques pas créées ni détruites → seulement transférées d’un corps à l’autre + neutre = autant protons que électrons → Loi de la conservation de la charge
Électrisation
Électrisation : créer déséquilibre des charges dans la matière
- majorité objets électriquement neutre → NB égal charge positives (protons) + négatives (électrons)
- peut donner charge à certains objets en transférant électrons → électriser la matière
- classer matière selon comportement lors d’un transfert de charges électriques : conducteur, semi-conducteurs, isolants
Conducteur
Conducteur : substance qui permet aux charges de circuler librement
- électriser conducteur métallique isolé → électrons circulent rapidement → s’éloignent ++ possibles les uns des autres → nouvel équilibre où intérieur conducteur neutre + charges réparties uniformément à surface
- électriser conducteur métallique dans un circuit → force électrons à dériver selon 1 direction → électrons poussent les uns sur les autres → déplacement des charges dans circuit
→ charger conducteur métallique : noyaux des atomes des métaux = faible attraction sur électrons de valence → facilement passer atome à l’autre
- métaux (cuivre, or), solutions électrolytique (ions)
Solutions électrolytique
Solutions électrolytique
- ions (particules avec charge électrique)
- électrodes dans solutions électrolytiques : ions positifs + négatifs déplacement vers borne négative + positive
→ conducteur
Isolant
Isolant : substance qui ne permet pas aux charges de circuler librement
- électriser isolant → charges demeurent même endroit
- isolants retiennent fortement leurs électrons de valence → ++ difficultés à quitter atome
- non-métaux, bois, plastique, verre, papier, céramique, caoutchouc, soie, l’air, cristaux
Semi-conducteurs et Supraconducteur
Semi-conducteurs
- conductibilité varier selon différents facteurs
- utilisés en électronique → transistors
- métalloïdes + carbone + silicium
Supraconducteur :
- permet aux charges de circuler sans contrainte (résistance)
- refroidi à des températures très basses
Les champs électriques
- région de espace où force électrique d’un corps chargé peut agir sur un autre corps chargé
- tout corps chargé placé proche d’un autre corps chargé soumis à force électrique → agir à distance
- invisibles, représenté par lignes de champ électrique montrant direction force que subira charge positive placée dans ce champ
→ conventionnellement : lignes de champs électriques s’éloignent charges positives + s’approchent charges négatives
⇒ particules négatives dans champ = force électrique sens opposé au champ
⇒ particules positives dans champ = force électrique même sens au champ - lignes se touchent jamais
- intensité maximale proche des charges → lignes ++ rapprochées
- champ intense, + lignes nombreuses et rapprochées
- champs électriques 2 mêmes charges s’opposent + 2 charges contraires s’attirent
Électricité statique
- ensemble phénomènes liés aux charges électriques au repos accumulées en un point donnée, suite à transfert d’électrons d’un corps à l’autre
- Électroscope à feuille permet détecter électricité statique : toucher la sphère avec objet chargé → charge transmise à tige métallique → 2 feuilles bout tige acquièrent même charges → repoussent
- objets électrisés pas pour éternité
- déchargent lentement en se combinant molécules d’eau dans air ambiant → effet électricité statique moins fréquents en temps humide
- déchargent rapidement : 2 objets signes contraires à proximité/en contact → décharge électrique → parfois étincelle : électrons traverser air qui chauffe + devient lumineux
Électrisation de la matière
Par frottement
- frotter 2 corps neutres → certains atomes arrachent électrons des autres atomes → 2 corps chargés de signes contraires
- dépend affinité à recevoir/donner électrons → série électrostatique : liste indiquant force d’attraction des matériaux pour les électrons quand entrer contact avec autres matériaux
Par conduction
- contact entre objet électrisé + objet neutre → charges se partagent entre 2 objets → 2 corps chargés de mêmes signes MAIS charge + faible que objet chargé de départ
Par induction
- sans contact var forces électriques agissent à distance
- approche objet électrisé + objet neutre → charges signes opposés s’accumulent progressivement du côté du second objet qui fait face à l’objet chargé/séparation des charges dans objet non chargé
- Si second objet = conducteur → NB égal de charges inverses s’accumulent de l’autre côté → Loi conservation de la charge
- Si second objet = isolant → charges contraires se neutraliseront dès éloignement objet chargé
Induction = séparation charges dans conducteur neutre
- si objet est isolé : redeviendra neutre dès objet chargé s’éloigne → charges contraires se neutraliseront mutuellement
- si objet contact avec conducteur : partie charges accumulées côté conducteur : transférées par conduction → éloignement objet chargé = objet portera charge signe contraire
Loi de Coulomb
- force exercée entre 2 particules immobiles électriquement chargées directement proportionnelle au produit de leur charge et inversement proportionnelle au carré de leur distance
- seulement pour charges au repos
Formule :
Fé = kq1q2/r2
Fé = force électrique (N)
k = constante de Coulomb 9 x 10 à la 9 Nm2/C2
q1 = charge de la 1ère particule (C)
q2 = charge de la 1ère particule (C)
r = distance entre 2 particules (m)
L’électricité dynamique
- ensemble phénomènes liés aux charges électriques en mouvement
- quand charges électriques placées dans circuit → possibilité circuler en boucle
Courant électrique
- déplacement ordonné des charges négatives portées par les électrons
- électrons des conducteurs dans circuit constamment poussés d’un atome à autre → charges semblables se repoussent
- courant rapide → courant généré en 1 point dans circuit → tous les électrons du circuit en mouvement –. effet quasi simultané
- déplacement désordonné : pas de courant électrique
- déplacement ordonné : courant électrique produit
Type de courant
Courant continu (CC)
- déplacement continuel des électrons dans même direction (pile, batterie, redresseur de courant, adaptateur)
Courant alternatif (CA)
- déplacement en mouvement va-et-vient régulier des électrons (génératrice, alternateur, central électrique)
Sens conventionnel du courant :
- direction empruntée par particule positive dans circuit électrique → borne positive à négative
- MAIS électrons en circulation (particules négatives) → sens réel courant = inverse du sens conventionnel
*sur schéma : tjr indiqué flèche pour sens conventionnel
Caractéristiques du courant + manifestations
Intensité du courant
Intensité du courant
- NB charges circulant en 1 point du circuit électrique par seconde
- Intensité admissible : courant max pouvant être transporté pour sécurité
- symbole : I
- unité de mesure : ampère (A)
- 1 courant de 1 ampère = 1 charge de 1 coulomb passe dans circuit à chaque seconde
→ 1 A = 1 C/1 s
- ampèremètre mesure intensité courant : compte NB charges circulant en 1 point donné du circuit pendant 1 sec → installation en série
Formule intensité du courant dans circuit
I = q/∅t
I = intensité du courant (A)
q = charge (C)
∅t = intervalle de temps (s)
Différence de potentiel
Différence de potentiel
- potentiel électrique : énergie pouvant être fournie par chacune des charges d’un courant électrique → déplacement 1 point à autre dans circuit → charges transfèrent énergie à d’autres composantes
- différence de potentiel : quantité énergie transférée entre 2 points de circuit électrique
- + différence de potentiel grande, + qté énergie transférée importante
- symbole : U
- unité de mesure : volt (V)
- 1 volt = 1 énergie de 1 joule fournie par 1 charge de 1 coulomb
→ 1 V = 1 J/1 C
- instrument de mesure différence de potentiel : voltmètre → calcule qté énergie transférée à 1 élément du circuit par chacun des charges → installée à entrée + sortie de l’élément en parallèle
→ mesure Énergie transférée source de courant électrique aux charges + énergie transférée des charges aux éléments du circuit
Formule différence de potentiel
U = E/q
U = différence de potentiel (V)
E = énergie transférée (J)
q = charge (C)
La résistance
La résistance
- ch/ composante circuit a fonction précise → transformer É électrique en autre forme É = résistances
- différentes formes : éléments chauffants grille-pain (É électrique → É thermique), pales ventilateur tournent grâce É mécanique produite par moteur
→ éléments chauffants + moteurs transforment É électrique en autres formes É → diminuer qté É transportée par charges
- Dans circuit électrique : résistance = entrave +- importante au passage courant → réduit intensité du courant
→ + résistance grande, + courant doit dépenser É pour passer
Résistance électrique : capacité matériau de s’opposer au passage du courant électrique
- symbole : R
- unité de mesure : ohms (Ω)
- résistance = effet inverse que source de courant sur les charges → abaisse niveau É au lieu augmenter
- 1 ohm = différence potentiel de 1 volt par ampère
→ 1 Ω = 1 V/1 A
Facteurs influant sur résistance d’une substance au passage du courant
Nature de la substance :
- mauvais conducteurs = ++ grande résistance que bons conducteurs → - A → - électrons qui passent
Longueur :
- + élément/fil long, + résistance au passage du courant → - conduction
Diamètre :
- élément diamètre petit → + résistance que élément avec gros diamètre
- + calibre fil augmente + diamètre diminue → Résistance diminue
Température :
- élément chaud = + résistance que élément froid → + chaud → + atomes vibrent → destabilisation électrons
La loi d’Ohm
- pour une résistance donnée : différence de potentiel dans circuit électrique est directement proportionnelle à intensité du courant
- seulement pour conducteurs et NON : isolants ou semi-conducteurs
Formule mathématique de la loi d’Ohm :
U = RI
R = U/I
I = U/R
U = différence de potentiel (V)
R = résistance (Ω)
I = Intensité du courant (A)
Puissance électrique
Puissance électrique
- quantité de travail (qté énergie qu’il peut transformer pendant 1 certaine période de temps) que peut accomplir un appareil électrique par seconde
- + appareil puissant, + travaille rapidement
- + appareil effectue travail dans intervalle temps donné, + puissant
→ mesure du taux de transformation de É électrique
- symbole : Pé
- unité de mesure : watt (W)
- puissance 1 watt = travail de 1 joule/sec
→ 1 W = 1 J/1 s
Équation mathématique de la puissance électrique
Pé = W/∅t
Pé = puissance électrique (W)
W = travail (J)
∅t = temps requis (s)
Équation mathématique de la puissance électrique en fonction différence de potentiel à ses bornes et intensité du courant électrique
Pé = UI
Pé = puissance électrique (W)
U = différence de potentiel (V)
I = intensité du courant (A)
Relation entre puissance et énergie électrique
- possible calcule qté É électrique consommée par appareil en multipliant puissance électrique par temps
→ 1 W x 1 s = 1 J - aussi possible exprimer É électrique en kilowattheures (kWh)
→ 1 kWh = 1000 W x 3600 s = 3 600 000 J
Formule mathématique pour relation entre puissance électrique et É électrique
E = Pé∅t
E = énergie électrique consommée (J ou kWh)
Pé = puissance électrique (W ou kW)
∅t = intervalle de temps (s ou h)
Circuit électrique
- montage permettant charges électriques de circuler en boucle
- dans tous appareils électriques
- minimum 3 composantes : source d’énergie électrique, résistance, fils conducteurs
→ source d’énergie électrique : créer différence de potentiel (volts)
→ résistance : éléments utilisant énergie électrique (ampoule, élément chauffant) (Ohms)
→ fils conducteurs : circulation charges entre sources + composantes → intensité du courant (ampères) - représentation avec schéma + symboles
- sens : sens conventionnel du courant (+ au -)
- circuit avec 2 éléments ou + = relié différentes façons
Circuit en série
Circuit en série
- éléments branchés uns à la suite des autres
- aucun embranchement
- courant ne peut suivre qu’un seul chemin
Caractéristiques :
- si 1 composante défectueuse → arrêt du circuit → charges plus pouvoir circuler
- énergie utilisée par chaque résistance s’additionne → 1 résistance ajoutée = moins énergie dispo pour chacune
- fusible + disjoncteur installés en série
-
Univers matériel : Chapitre 117
-
Chapitre 1 : classification périodique23
-
Univers matériel : Chapitre 245
-
Chapitre 432
-
Laboratoire 1, 2, 417
-
Chapitre 324
-
Laboratoire 34
-
Chapitre 644
-
Chapitre 745
-
Examen sur les présentations43
-
Chapitre 542
-
Chapitre 14 : L’ingénierie électrique13
-
Labo 5, 149
-
Ministère Chapitre 110
-
Ministère Chapitre 220
-
Ministère Chapitre 314
-
Ministère Chapitre 413
-
Ministère chapitre 515
-
Ministère chapitre 620
-
Ministère chapitre 711
-
Ministère chapitre 82
-
Ministère chapitre 104
-
Ministère chapitre 1113
-
Ministère chapitre 128
-
Ministère chapitre 1315
-
Ministère chapitre 146
