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Courant continu

Courant continu. Courant électrique. Flux ordonné de charges. Intensité: nombre de charges qui traversent un plan par unité de temps . Intensité de courant instantanée. Unité: l’Ampère (A) 1 A = 1 C/s. Direction du courant. Courant dans un conducteur: mouvement des électrons.

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Presentation Transcript

  1. Courant continu

  2. Courant électrique Flux ordonné de charges Intensité: nombre de chargesqui traversent un plan parunité de temps Intensité de courant instantanée Unité: l’Ampère (A) 1 A = 1 C/s

  3. Direction du courant Courant dans un conducteur:mouvement des électrons Mais porteurs mobiles decharge peuvent être + (plasma, …) Convention: direction du courant=direction du déplacement des charges positives NB. Flux de charges + vers la droite º flux de charges – vers la gauche Opposition du milieu à la progression des charges: résistance(équivalente au frottement mécanique) Nécessité de fournir de l’énergie pour entretenir un courant

  4. Exemple: microscope électronique • Faisceau continu d’électrons dirigés vers le bas: charge négative de 3,2 µC transportée pendant 200 ms Courant: Nombre d’électrons transportés par seconde: • Canon à électrons envoie une impulsion d’un courant moyen de 1 µA pendant 2 µs Charge: Dq = I Dt = (1,0´10-6A)(2,0´10-6s) = 2,0´10-12 C Correspondant à:

  5. Les piles Conversion énergie chimique (liaison inter-atomique ˆ32 eV) en énergie électrique Électrodes : 2 conducteurs solides différents Électrolyte :solution active (acide, base ou sel) Exemple : pile voltaïque liquide Électrodes: Cu et Zn; électrolyte : H2SO4 • Production d’ion Cu++ et Zn++ • Ionisation plus facile pour le Zn (potentiel électrochimique -0,76 V; Cu +0,34 V) • Production électrons plus grande au niveau Zn • Différence de potentiel entre les deux électrodes (0,34 V)-(-0,76 V) = +1,10 V

  6. Force électromotrice DV disponible pour fournir de l’énergie  entretenir un courant Tension mesurée aux bornes en l’absence de courant NB. La f.é.m est déterminée par la composition chimique Le courant est déterminé par la taille de la pile Pile sèche: 1,5 V Pile au mercure: 1,4 V

  7. Courant Mouvement Des électrons Association en série et en parallèle Montage en série Tension totale = somme des tensions de chaque élément  Tension nulle entre A et C Courant circuit fermé Court circuit  courant intense En général circuit avec charge (lampe, moteur,…) Sens de circulation fixe: courant continu Même courant traverse chaque élémentd’un circuit en série

  8. Montage en parallèle Tension reste inchangée Courant total =somme des courants Quantité d’électricité débitée par une pile: Mesurée en Ampères-heures (Ah): 1 A = 1C/s  1Ah = 3600 C Exemple: une grande pile de 1,5 V peut débiter 3 Ah soit 3 A pendant une heure soit 0,3 A pendant 10 heures etc…

  9. CHARGE CHARGE Exemple: source d’électricité sur mesure Élément de base: 1,5 V; 3Ah. Pile de 4,5 V; courant maximum de 5 A et maximum 1A/élément ? 5 éléments en parallèle = 1 cellule (1,5 V) 3 cellules en série 3Ah et débit maximum 1A  Durée de vie 3 heures

  10. Champ électrique et vitesse de migration Champ électrique externe: De la borne positive (anode) vers la borne négative (cathode) • Circuit fermé: • Électrons se propagent le long du conducteur (repoussés par la cathode) • Puis répulsion mutuelle • Répartition en surface • Combinaison force motrice (champ électrique créé par la pile parallèle à la direction du mouvement) et collisions avec ions métalliques •  Vitesse moyenne vm

  11. Vitesse de migration et courant • Volume cylindrique: • Section S, vitesse moyenne vm, hauteur vmDt: V=SvmDt • Porteurs de charges de V traversent S pendant Dt • h nombre de porteurs de charges par unité de volume Charge correspondante : Dq=hvmDtSqe Exemple: fil de Cu (r = 8,9 g/cm3, MA= 63,5), section 1 mm2, I = 10 A porteurs de charges: 1 électron/atome

  12. Résistance Conduction dépend de la naturedu conducteur et de sa géométrie Champ uniforme: VB-VA = ±Ed Du point A au point B chute detension V=-Ed Pour un fil de longueur L: V=-EL Mesure (ampèremètre) : I µ V Facteur de proportionnalité R(résistance qu’oppose un conducteurau mouvement des charges) Loi d’Ohm V = R I Unité : R=V/I; 1 ohm (W) = 1V/A

  13. Limites de la loi d’Ohm • Loi non « universelle » • S’applique à des conducteurs à température constante (matériaux ohmiques) • D’autres matériaux (semi-conducteurs, gaz ionisés,…) ne sont pas ohmiques …

  14. Exemple: dispositif ohmique Ampoule alimentée par deuxpiles de 1,5 V en série Intensité mesurée : 0,50 A(sans chute de tension) Résistance de l’ampoule ? NB. Une faible résistance permet des courants importants même pour une faible tension

  15. Résistivité • La résistance augmente avec la longueur (plus de collisions) • I = hvmSqe; vmµ E et V µ E donc I µ V S et R = V/I µ 1/S Coefficient de proportionnalité r: résistivité r > 105W.m  isolants 10-5W.m < r < 105W.m  semi-conducteurs r < 10-5W.m  conducteurs Exemple : ruban résistif de Ni-Chrome d’un grille-pain section rectangulaire 0,25´1,0 mm2; r=10-6W.m Longueur pour une résistance de 1,5 W ?

  16. Plomb Fer Étain Résistivité r (W.m) Platine Zinc Aluminium Cuivre Argent Température (°C) Résistivité et température Si température Z, vibration atomes + ions Z Collisions Z et donc résistivité Z Dépendance ± linéaire: DT: variation de T à partir de 20° C r0: résistivité à 20° C a0: coefficient thermique de résistivité NB. a0 négatif pour les semi-conducteurs et donc résistivité ] lorsque T Z) (porteurs de charge libérés lorsque T Z)

  17. donc (mêmes L et S) Exemple: thermomètre à résistance de platine Fil de Pt de 2 m de long et de 0,1 mm de diamètre Résistance de 25,5 W à 0° C, a0 = 0,003927 K-1 Variation de résistance pour une augmentation de T de 1° C ? DR = R – R0 = R0a0DT=(25,5 W)(0,003927 K-1)(1,00 K) par ° K DR = 0,100 W Augmentation température pour une variation de 10 W ? 10 W 100 DR  DT = 100° K ou 100° C

  18. Supraconductivité Résistivité devient nulle au dessous d’une températurecritique (Tc) pour certains matériaux  supraconductivité Tcµ 0.1° - 1° K pour les métaux NB. Tous les métaux ne deviennent pas supraconducteurs Théorie quantique permet d’expliquerl’absence de collision pour les porteursde charge dans un réseau cristallin (association des électrons en paires). Certains composés céramiques sontsupraconducteurs à plusieurs dizaines de °K

  19. Chute et accroissement de potentiel Pile idéale (aucune résistance interne) Câbles sans résistance Tension de la pile = f.é.m.  A, A’ et B,B’ au même potentiel Aucune force (E=0) pour déplacerles e- dans la pile et les câbles • Dans la résistance: • Charges doivent être repoussées • Champ électrique parallèle à la résistance • Énergie cinétique cédée à la résistance (énergie thermique) • Perte égale à qV compensée par énergie fournie par la pile • Le courant électrique est le transporteur d’énergie NB. L’énergie dépend de la différence de potentiel

  20. Potentiomètre Résistance en forme de bobine Curseur en contact avec l’enroulement Utilisation d’un nombre variable de spires VAC est la f.é.m. de la pile VAB est une partie de VAC • Diviseur de tension Permet de faire varier l’intensité d’un courant

  21. Courant Puissance Énergie et puissance Charge Dq subit une chute de potentiel V Variation temporelle de son énergie potentielle: P =IV Unité: le volt-ampère: 1 V.A = (1 J/C)(1 C/s) = 1 J/s = 1 W Puissance fournie par la pile: P = VI; V = RI  P = RI2 Ou: La résistance chauffe … Effet Joule

  22. Exemple: Une pile inconnue … Courant 5,0 A Puissance dissipée ou fournie parchaque élément du circuit ? Même courant dans tous les éléments Puissance dissipée (courant entre par la borne + !) par la pile: P = VI = (12,0 V)(5,0 A) = 60 W Puissance dissipée par la résistance: P = RI2 =(10 W)(5,0 A)2 = 250 W Puissance fournie par la pile: P = 60 W + 250 W = 310 W F.é.m. de la pile :

  23. Exemple: coût de l’électricité Coût en kW.h de l’énergie électrique fournie par une pile de 1,5 Vde capacité 3Ah (prix d’achat 2,00 €). P = VI  énergie = Pt = VIt = (1,5 V)(3,0 Ah) = 4,5 Wh Prix par kW.h = (2,00 €)/(4,5 ´ 10-3 kW.h) = 444,44 € Coût énergie réseau : 0,14 €/kW.h Facteur 3200 !!!!

  24. ® ® Vecteur densité de courant J module J et direction de E ® dS vecteur de module S et normal à la surface Densité de courant et conductivité Courant dans un conducteur  surface n’est plus une équipotentielle Équipotentielles: sections successives du conducteur Densité de courant: Courant non uniforme 

  25. Loi d’Ohm locale Définie en un point donné du conducteur Rappel: V=EL; I=JS; R=rL/S et loi d’Ohm macroscopique: V=RI E = Jr EL = (rL/S) (JS)  Sous forme vectorielle et en fonction de la conductivité (s=1/r) Forme locale de la loi d’Ohm Exemple: fil de Cu de 1mm de diamètre; courant 15,0 A Champ à l’intérieur du fil ? 

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