A.1. Lois g n rales de l lectricit en courant continu

1. A.1. Lois générales de l’électricité en courant continu A.1.1. Lois relatives aux réseaux : lois des mailles, des nœuds, loi d’Ohm pour un dipôle passif, un dipôle actif. Analyse générale d’un circuit. version 2 de juillet 2004 Michel Roux Professeur de physique appliquée site internet : http://www.membres.lycos.fr/physapp adresse électronique: Michelrouxfr@yahoo.com pour signaler une erreur spécifier le nom du fichier la version si elle exite le numéro de diapo version 2 de juillet 2004 Michel Roux Professeur de physique appliquée site internet : http://www.membres.lycos.fr/physapp adresse électronique: Michelrouxfr@yahoo.com pour signaler une erreur spécifier le nom du fichier la version si elle exite le numéro de diapo

2. I-La nature de l’électricité l’électricité, le mot vient d’électron, ce qui signifie « ambre » en grec c’est en effet en frottant des morceaux d’ambre sur du tissu que les grecs s’aperçurent qu’on pouvaient attirer des corps légers. Si on frotte une règle en plastique contre un morceau de laine, on peut attirer des petits morceaux de papier. il s’agit d’électricité statique, cette électricité n’a pas d’applications pratiques. dans notre expérience, l’énergie générée est en effet extrêmement faible. c’est pourtant cette même électricité statique qui crée des éclairs lors d’un orage, ces éclairs dégagent alors des énergies extrêmement importantes Là encore, comme pour la machine à vapeur découverte par Huron d’Alexandrie qui n’était qu’un jouet, l’électricité n’avait pas d’applications pratiques. Redécouverte ultérieurement, tous comme le fut la vapeur, l’électricité devient alors le point de départ avec la machine à vapeur de l’industrie et de notre civilisation moderne. l’électricité, le mot vient d’électron, ce qui signifie « ambre » en grec c’est en effet en frottant des morceaux d’ambre sur du tissu que les grecs s’aperçurent qu’on pouvaient attirer des corps légers. Si on frotte une règle en plastique contre un morceau de laine, on peut attirer des petits morceaux de papier. il s’agit d’électricité statique, cette électricité n’a pas d’applications pratiques. dans notre expérience, l’énergie générée est en effet extrêmement faible. c’est pourtant cette même électricité statique qui crée des éclairs lors d’un orage, ces éclairs dégagent alors des énergies extrêmement importantes Là encore, comme pour la machine à vapeur découverte par Huron d’Alexandrie qui n’était qu’un jouet, l’électricité n’avait pas d’applications pratiques. Redécouverte ultérieurement, tous comme le fut la vapeur, l’électricité devient alors le point de départ avec la machine à vapeur de l’industrie et de notre civilisation moderne.

3. I a) Les charges électriques La charge que l’on rencontre en électronique est l’électron La charge électrique se mesure en Coulomb Un électron porte une charge de -1,6 10-19 C C’est la charge élémentaire, c’est à dire la charge la plus petite qu’il existe. l’unité de charge naturelle en quelque sorte dont toutes les autres seront multiples. Lorsque ces charges se déplacent, elles génèrent des courants. Comment crée ce déplacement de charges ? L’électricité statique comme nous l’avons dit ne sert à rien. Historiquement, C’est une réaction chimique qui va nous permettre de générer cette énergie électrique I = ?Q /?t La charge que l’on rencontre en électronique est l’électron La charge électrique se mesure en Coulomb Un électron porte une charge de -1,6 10-19 C C’est la charge élémentaire, c’est à dire la charge la plus petite qu’il existe. l’unité de charge naturelle en quelque sorte dont toutes les autres seront multiples. Lorsque ces charges se déplacent, elles génèrent des courants. Comment crée ce déplacement de charges ? L’électricité statique comme nous l’avons dit ne sert à rien. Historiquement, C’est une réaction chimique qui va nous permettre de générer cette énergie électrique I = ?Q /?t

4. I b) Exemple de production d’électricité, la pile les premières piles ne furent qu’un empilement des plaques métalliques de métaux différents séparés par des tissus imbibés d’acide, avant d’atteindre la maîtrise technologique de la pile que nous présentons ici. ce fut le comte Alessandro Volta les premières piles ne furent qu’un empilement des plaques métalliques de métaux différents séparés par des tissus imbibés d’acide, avant d’atteindre la maîtrise technologique de la pile que nous présentons ici. ce fut le comte Alessandro Volta

5. Alessandro Volta montrant à Bonaparte son invention, la pile électrique ; fresque du musée de Physique et d'Histoire, Florence. La pile voltaïque Après le retour des armées françaises en Italie, Volta se proposa pour aller manifester à Paris la reconnaissance de la République cisalpine(État constitué par Bonaparte, en 1797, La République Cisalpine fut transformée en royaume d'Italie en 1805.) Il montra son invention, devant le premier consul notamment. Il fit valoir la différence majeure qu'il y avait entre sa pile et les machines électrostatiques: la première faisait circuler un courant électrique de basse tension, alors que la circulation était faible et la tension élevée pour les machines. La pile voltaïque fut promptement utilisée en chimie. L'électrolyse de sels permit la découverte du sodium et du potassium. Alessandro Volta montrant à Bonaparte son invention, la pile électrique ; fresque du musée de Physique et d'Histoire, Florence. La pile voltaïque Après le retour des armées françaises en Italie, Volta se proposa pour aller manifester à Paris la reconnaissance de la République cisalpine(État constitué par Bonaparte, en 1797, La République Cisalpine fut transformée en royaume d'Italie en 1805.) Il montra son invention, devant le premier consul notamment. Il fit valoir la différence majeure qu'il y avait entre sa pile et les machines électrostatiques: la première faisait circuler un courant électrique de basse tension, alors que la circulation était faible et la tension élevée pour les machines. La pile voltaïque fut promptement utilisée en chimie. L'électrolyse de sels permit la découverte du sodium et du potassium.

6. La production de l’électricité par une réaction chimique contrôlée L’exemple le plus cité est la pile Daniel, Construire cette pile est une expérience intéressante à faire C'est une pile électrochimique donnant 1,1 V. Elle se compose d'une électrode en cuivre, plongeant dans une solution de sulfate de cuivre, et d'une électrode en zinc, plongeant dans de l'acide sulfurique dilué ou dans du sulfate de zinc. Les deux solutions sont séparées par une paroi poreuse ou un autre système qui maintient le contact électrique. Comme toute pile, son principe est de maîtriser une réaction chimique spontanée afin de produire une circulation d’électrons Si le circuit est fermé, un courant circule de l'électrode de cuivre vers l'électrode de zinc, à l'extérieur de la pile. Les électrons proviennent de l'oxydation du zinc, l’électrode de zinc disparaît, elle est rongée Du cuivre se dépose sur l’électrode de cuivre, ce cuivre provient de la solution de sulfate de cuivre L’exemple le plus cité est la pile Daniel, Construire cette pile est une expérience intéressante à faire C'est une pile électrochimique donnant 1,1 V. Elle se compose d'une électrode en cuivre, plongeant dans une solution de sulfate de cuivre, et d'une électrode en zinc, plongeant dans de l'acide sulfurique dilué ou dans du sulfate de zinc. Les deux solutions sont séparées par une paroi poreuse ou un autre système qui maintient le contact électrique. Comme toute pile, son principe est de maîtriser une réaction chimique spontanée afin de produire une circulation d’électrons Si le circuit est fermé, un courant circule de l'électrode de cuivre vers l'électrode de zinc, à l'extérieur de la pile. Les électrons proviennent de l'oxydation du zinc, l’électrode de zinc disparaît, elle est rongée Du cuivre se dépose sur l’électrode de cuivre, ce cuivre provient de la solution de sulfate de cuivre

9. Dans une pile, on s’oppose à la réaction chimique spontanée en séparant les produits réactifs et en obligeant les électrons a traverser un fil, plutôt que d’être échangé lors de la rencontre entre les ions.Une partie de l’énergie chimique, qui sans le montage qui constitue la pile, aurait été transformée en chaleur,est transformée en énergie électrique.La tension aux bornes de la pile, nommée aussi la différence de potentiel, est due à l énergie potentielle chimique libérable.

10. I c)Conducteurs et isolants électriques

11. la plupart des atomes, ou des molécules, peuvent conduire l’électricité. Il suffit d’arracher un ou des électrons à un atome pour le rendre conducteur. plus il faut d’énergie pour rendre libre cet électron, plus l’atome est isolant. il n’existe pas d’isolant parfait, tous les atomes peuvent être ionisé (c’est à dire qu’on peut leur arracher un électron) la plupart des atomes, ou des molécules, peuvent conduire l’électricité. Il suffit d’arracher un ou des électrons à un atome pour le rendre conducteur. plus il faut d’énergie pour rendre libre cet électron, plus l’atome est isolant. il n’existe pas d’isolant parfait, tous les atomes peuvent être ionisé (c’est à dire qu’on peut leur arracher un électron)

12. ici, on voit la conductivité électrique de chaque atome. Plus elle est élevée et plus l’atome conduit facilement l’électricité. dans les très bon conducteur, on trouve le cuivre, l’argent et l’or (dans la même colonne) ici, on voit la conductivité électrique de chaque atome. Plus elle est élevée et plus l’atome conduit facilement l’électricité. dans les très bon conducteur, on trouve le cuivre, l’argent et l’or (dans la même colonne)

13. l’argent est le meilleur conducteur,ensuite vient le cuivre. Bien que plus cher car plus rare, l’or conduit un peu moins bien. cependant l’or est le seul métal qui n’est pas oxydable, de plus il peut être étiré en fil très fin ce qui est un avantage car le cœur des circuits (pastille de silicium) est de plus en plus petite. le verre, de conductivité très faible, est un isolant l’argent est le meilleur conducteur,ensuite vient le cuivre. Bien que plus cher car plus rare, l’or conduit un peu moins bien. cependant l’or est le seul métal qui n’est pas oxydable, de plus il peut être étiré en fil très fin ce qui est un avantage car le cœur des circuits (pastille de silicium) est de plus en plus petite. le verre, de conductivité très faible, est un isolant

14. Classement par conductivité

15. II - Tension et courant

16. II a) La définition historique de l’intensité d’un courant

17. II b) La définition de l’intensité

19. II c) La tension électrique, ou différence de potentiel par analogie

21. II d) Conventions d’écriture

23. II e) Mesure d’une tension

26. Tension négative

27. Alimentation +15V et –15V d’un circuit

28. II f) Mesure de l’intensité d’un courant

29. Intensité négative d’un courant

30. III circuit électriquea) définitions

32. III b)Association de dipôles en série

33. Association de dipôles en parallèle (en dérivation)

34. IV La loi des nœuds

35. V La loi des mailles

36. VI-Tracé de la caractéristique d’un dipôle

38. Mesure de la tension

41. Autre solution, on retourne l’alimentation. Mais cette solution ne convient pas pour les appareils à aiguilles qui n’affichent pas les tensions négatives

43. VII- Les résistances

44. La résistance limite l’intensité du courant qui la traverse

45. VII a) La loi d’Ohm

46. montage

49. Informations complémentairesLe code couleur des petites résistances

51. taille et puissance

52. Résistances réglables pour les travaux pratiques

53. VII b) Résistances réglables: les potentiomètres

55. Le rhéostat : un potentiomètre de puissance

56. VII c) association de résistances

57. Association en série de résistances

58. Association en parallèle (en dérivation) de résistances

59. VII d) Le pont diviseur de tension

61. Pont diviseur de courant

63. VIII-Les conventions générateur et récepteur

64. Convention générateur

65. Convention récepteur

66. Loi d’Ohm en convention générateur

67. IX-Les dipôles actifs ou « électromoteurs » Ce sont des dipôles qui vont fournir de l’énergie à un circuit électrique, comme une pile, une alimentation continue variable en TP, une cellule solaire.Ce sont des dipôles qui vont fournir de l’énergie à un circuit électrique, comme une pile, une alimentation continue variable en TP, une cellule solaire.

68. Cellule solaire ou photovoltaïque.

69. IX a) Montage pour relever la caractéristique d’un dipôle actif.

72. X les modèles équivalents

73. X a) Modèle équivalent de Thévenin(MET) Certains dipôles ont une caractéristique très simple, une droite

77. X b) Le modèle équivalent de Norton (MEN)

78. XI Puissance et dissipation d’énergie.A) puissance Connaissances scientifiques . Expression générale de la puissance électrique reçue par un dipôle, dans le cas de la convention récepteur. . Application dans le cas particulier des résistances linéaires. . Relation entre puissance et énergie. . Unité de puissance et unité d’énergie du système international. . Expressions littérales de l’énergie électrique W (dont la loi de Joule). . Principe de conservation de l’énergie. . Définition du rendement d’un système. Savoir-faire expérimentaux . Mesurer, en utilisant une méthode voltampèremétrique, la puissance fournie ou reçue par un dipôle. Savoir-faire théoriques . Calculer la puissance électrique moyenne reçue par un dipôle, ou l’énergie. . Calculer la puissance électrique moyenne fournie par une source, ou l’énergie. . Calculer la limitation en tension ou en courant d’une résistance, R et Pmax étant connues. . Effectuer un bilan de puissances dans un circuit simple. Connaissances scientifiques . Expression générale de la puissance électrique reçue par un dipôle, dans le cas de la convention récepteur. . Application dans le cas particulier des résistances linéaires. . Relation entre puissance et énergie. . Unité de puissance et unité d’énergie du système international. . Expressions littérales de l’énergie électrique W (dont la loi de Joule). . Principe de conservation de l’énergie. . Définition du rendement d’un système. Savoir-faire expérimentaux . Mesurer, en utilisant une méthode voltampèremétrique, la puissance fournie ou reçue par un dipôle. Savoir-faire théoriques . Calculer la puissance électrique moyenne reçue par un dipôle, ou l’énergie. . Calculer la puissance électrique moyenne fournie par une source, ou l’énergie. . Calculer la limitation en tension ou en courant d’une résistance, R et Pmax étant connues. . Effectuer un bilan de puissances dans un circuit simple.

79. XI b) Bilan des puissances

83. XI c) dissipation de l’énergie thermique

85. XI d) Puissance dissipée dans un résistance

87. XI e) L’hyperbole de puissance

92. XI f)Autres unités usuelles de l’énergie

94. XII Le théorème de superposition

104. prochains cours : Le condensateur éventuellement, le logiciel de simulation spice les régimes variables régimes transitoires RL et RC (traités surtout en travaux pratiques) les régimes sinusoïdaux (deuxième trimestre) et l’électromagnétisme (3ième trimestre)