Courant continu
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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


Courant continu

Courant continu


Courant lectrique

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


Direction du courant

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


Exemple microscope lectronique

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:


Les piles

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


Force lectromotrice

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


Association en s rie et en parall le

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


Montage en parall le

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…


Exemple source d lectricit sur mesure

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


Champ lectrique et vitesse de migration

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


Vitesse de migration et courant

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


R sistance

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


Limites de la loi d ohm

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 …


Exemple dispositif ohmique

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


R sistivit

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 ?


R sistivit et temp rature

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)


Exemple thermom tre r sistance de platine

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


Supraconductivit

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


Chute et accroissement de potentiel

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


Potentiom tre

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


Nergie et puissance

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


Exemple une pile inconnue

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 :


Exemple co t de l lectricit

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 !!!!


Densit de courant et conductivit

®

®

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 


Loi d ohm locale

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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