Extrait - Interactions ST-STE Cahier d'apprentissage 4e secondaire

CAHIER D’APPRENTISSAGE

4e secondaire

Étienne Meyer

SCIENCE ET TECHNOLOGIE

ST STE

SCIENCE ET TECHNOLOGIE

SCIENCE ET TECHNOLOGIE DE L’ENVIRONNEMENT

INCLUANT

Un grand nombre d’ exercices et de  problèmes bien gradués Des analyses technologiques avec  animations 3D Des capsules numériques qui enrichissent les concepts théoriques 500 exercices interactifs autocorrectifs

EXTRAIT

Parution en avril 2024

CONFORME À LA PROGRESSION DES APPRENTISSAGES

Julie Boucher

4.5

CHAPITRE

5.1

4.5.1

5.1.1 La loi de la conservation de l’énergie xx

5.1.2 Le rendement énergétique xx

Activités 5.1 .................................................................................................. xx

5.2 La force et le travail STE xx

5.2.1 La définition de la force xx

5.2.2 La masse et le poids xx

5.2.3 Le mouvement engendré par une force xx

5.2.4 Le travail et l’énergie xx

Activités 5.2 xx

5.3 L’énergie d’un corps en mouvement STE xx

5.3.1 L’énergie cinétique xx

5.3.2 L’énergie potentielle xx

5.3.3 L’énergie mécanique xx

SAVOIRFAIRE 7 L’énergie d’un corps en mouvement xx

Activités 5.3 xx

5.4 L’énergie thermique xx

5.4.1 La chaleur et la température xx

5.4.2 La capacité thermique massique STE xx

Activités 5.4 xx

SYNTHÈSE 5 xx

Activités de synthèse 5 ......................................................................... xx

UNIVERS TERRE ET ESPACE

CHAPITRE 6

xx

La biosphère xx

Rappel xx

6.1 Les cycles biogéochimiques xx

6.1.1 Le cycle du carbone .................................................................. xx

6.1.2 Le cycle de l’azote xx

6.1.3 Le cycle du phosphore STE xx

Activités 6.1 xx

6.2 Les biomes terrestres xx

6.2.1 Les facteurs déterminants d’un biome terrestre xx

6.2.2 Les biomes nordiques xx

6.2.3 Les biomes tempérés ............................................................... xx

6.2.4 Les biomes tropicaux xx

6.2.5 Les biomes désertiques xx

Activités 6.2 xx

6.3 Les biomes aquatiques xx

6.3.1 Les facteurs déterminants d’un biome aquatique xx

6.3.2 Les biomes dulcicoles xx

6.3.3 Les biomes marins xx

Activités 6.3 xx

SYNTHÈSE 6 xx

Activités de synthèse 6 xx

CHAPITRE 7

La lithosphère xx

Rappel xx

7.1 Les sols xx

7.1.1 Les horizons du sol xx

7.1.2 La réactivité des sols xx

7.1.3 La capacité tampon des sols STE xx

7.1.4 Le pergélisol xx

Activités 7.1 xx

7.2 L’exploitation de la lithosphère ................................................. xx

7.2.1 L’agriculture et l’industrie minière xx

7.2.2 Les ressources énergétiques de la lithosphère xx

7.2.3 Les impacts des activités humaines sur la lithosphère xx

BIOTECHNOLOGIE La biodégradation des polluants STE xx

Activités 7.2 xx

SYNTHÈSE 7 xx

Activités de synthèse 7 xx

CHAPITRE 8

L’atmosphère et l’hydrosphère xx

Rappel xx

8.1 L’atmosphère............................................................................................ xx

8.1.1 L’effet de serre xx

8.1.2 Les masses d’air et les fronts xx

8.1.3 La circulation atmosphérique et les vents dominants xx

8.1.4 Les anticyclones et les dépressions xx

Activités 8.1 xx

8.2 L’hydrosphère xx

8.2.1 Les eaux continentales xx

8.2.2 Les océans xx

8.2.3 La circulation océanique ........................................................ xx

Activités 8.2 xx

8.3 L’exploitation de l’hydrosphère et de l’atmosphère xx

8.3.1 Les ressources énergétiques de l’hydrosphère et de l’atmosphère xx

8.3.2 Les contaminants de l’air et de l’eau STE xx

8.3.3 Les impacts des activités humaines sur l’hydrosphère et l’atmosphère ................................... xx

BIOTECHNOLOGIE Le traitement des eaux usées STE xx

Activités 8.3 xx

SYNTHÈSE 8 xx

Activités de synthèse 8 xx

UNIVERS VIVANT

CHAPITRE 9 L’écologie et les écosystèmes

Rappel xx

9.1 Les populations et les communautés ................................... xx

9.1.1 L’étude des populations .......................................................... xx

9.1.2 Les communautés et la biodiversité xx

9.1.3 La dynamique des communautés xx

Activités 9.1 xx

9.2 Les écosystèmes xx

9.2.1 Les relations trophiques xx

9.2.2 La circulation de la matière et de l’énergie xx

9.2.3 Les perturbations d’un écosystème xx

Activités 9.2 xx

9.3 L’influence humaine STE xx

9.3.1 L’empreinte écologique xx

9.3.2 L’écotoxicologie xx

Activités 9.3 xx

SYNTHÈSE 9 xx

Activités de synthèse 9 xx

CHAPITRE 10

La génétique STE xx

Rappel xx

10.1 L’ADN, les gènes et les allèles .................................................. xx

10.1.1 La structure de l’ADN ........................................................ xx

10.1.2 Les gènes et les allèles xx

10.1.3 Les individus homozygotes et hétérozygotes xx

Activités 10.1 ........................................................................................... xx

10.2 Les mécanismes de l’hérédité xx

10.2.1 Le génotype et le phénotype xx

10.2.2 La dominance et la récessivité xx

10.2.3 Les grilles de Punnett xx

Activités 10.2 xx

10.3 La synthèse des protéines xx

10.3.1 Les protéines et les acides aminés xx

10.3.2 La transcription ..................................................................... xx

10.3.3 La traduction xx

BIOTECHNOLOGIE Le clonage xx

Activités 10.3 xx

SYNTHÈSE 10 xx

Activités de synthèse 10 xx

UNIVERS TECHNOLOGIQUE

CHAPITRE 11

xx

Le langage des lignes et les matériaux xx Rappel xx

11.1 Le langage des lignes STE xx

11.1.1 Le dessin d’ensemble en vue éclatée xx

11.1.2 Les tolérances dimensionnelles xx

Activités 11.1 xx

11.2 Les contraintes et les propriétés mécaniques des matériaux xx

11.2.1 Les contraintes xx

11.2.2 Les propriétés mécaniques des matériaux ......... xx

11.2.3 La modification des propriétés xx

Activités 11.2 xx

11.3 Les types de matériaux xx

11.3.1 Les céramiques xx

11.3.2 Les matières plastiques xx

11.3.3 Les matériaux composites ............................................. xx

Activités 11.3 ........................................................................................... xx

11.4 Le façonnage, la fabrication et la mesure STE xx

11.4.1 Le mesurage et le traçage xx

11.4.2 Le façonnage xx

11.4.3 L’inspection xx

SAVOIRFAIRE 8 L’utilisation du pied à coulisse ..................................... xx

Activités 11.4 xx

SYNTHÈSE 11 xx

Activités de synthèse 11 xx

CHAPITRE 12

L’ingénierie mécanique xx Rappel xx

12.1 Les fonctions de liaison et de guidage xx

12.1.1 Les caractéristiques d’une liaison .............................. xx

12.1.2 Les guidages xx

12.1.3 Les degrés de liberté STE xx

12.1.4 Le choix d’une liaison et d’un guidage xx

12.1.5 L’adhérence et le frottement STE xx

Activités 12.1 xx

12.2 La transmission et la transformation du mouvement xx

12.2.1 La transmission du mouvement xx

12.2.2 La transformation du mouvement ........................... xx

12.2.3 Les excentriques STE xx

Activités 12.2 xx

12.3 La variation de vitesse xx

12.3.1 La variation de vitesse utilisant des roues de friction et des poulies xx

12.3.2 La variation de vitesse utilisant des roues dentées ............................................................... xx

12.3.3 La variation de vitesse utilisant des vis sans fin xx

Activités 12.3 ........................................................................................... xx

SYNTHÈSE 12 ............................................................................................................... xx

Activités de synthèse 12 xx

CHAPITRE 13

L’ingénierie électrique xx Rappel ...................................................................................................................... xx

13.1 L’alimentation et la transformation de l’énergie ..... xx

13.1.1 Les fonctions électriques xx

13.1.2 La fonction d’alimentation xx

13.1.3 La fonction de transformation de l’énergie xx

Activités 13.1 xx

13.2 La conduction, l’isolation et la protection xx

13.2.1 La fonction de conduction xx

13.2.2 La fonction d’isolation ...................................................... xx

13.2.3 La fonction de protection xx

13.2.4 La détermination des résistances STE xx

SAVOIRFAIRE 9 La lecture d’une résistance STE xx

Activités 13.2 xx

13.3 Les interrupteurs xx

13.3.1 La fonction de commande xx

13.3.2 La classification des interrupteurs STE ................... xx

Activités 13.3 xx

13.4 Les circuits électroniques STE xx

13.4.1 L’électronique xx

13.4.2 Les composantes électroniques xx

13.4.3 Les semi-conducteurs xx

Activités 13.4 xx

SYNTHÈSE 13 xx

de synthèse 13 .................................................................. xx

PRÉSENTATION DE L’OUVRAGE

Ce cahier d’apprentissage couvre l’ensemble des concepts prescrits par les programmes Science et technologie ST et Science et technologie de l’environnement STE de la 4e secondaire.

Ce cahier est divisé en quatre univers : l’univers matériel, l’univers Terre et espace, l’univers vivant et l’univers technologique. Chaque univers comporte des chapitres organisés de façon à respecter le plus fidèlement la Progression des apprentissages (PDA). Les biotechnologies à l’étude sont quant à elles placées dans le chapitre le plus approprié. Le cahier se termine par une Révision de fin d’année et un index.

Les univers

Un court texte d’introduction présente les contenus de l’univers.

Une citation illustre les contenus de l’univers.

Les chapitres

La page d’ouverture de chaque chapitre comporte la liste des concepts de la Progression des apprentissages abordés dans ce chapitre.

Les concepts identifiés par le pictogramme STE sont prescrits dans le programme Science et technologie de l’environnement

Un sommaire détaillé présente le contenu de chacun des chapitres de l’univers.

Chaque section se termine par des activités (exercices et problèmes) en lien avec l’ensemble des concepts étudiés dans la section.

Des connaissances préalables de 3e secondaire sont présentées.

Les sections et sous-sections sont numérotées pour un repérage facile.

Les termes importants à retenir sont en bleu dans le texte et leur définition est mise en évidence.

Des capsules de connaissances générales ou portant sur l’environnement sont présentées à l’occasion.

Des clics + présentant des compléments d’information variés sont offerts en suppléments numériques sur maZoneCEC.

Un picto annonce une question de type enrichissement selon la Progression des apprentissages.

Une rubrique présente les biotechnologies en lien avec les notions abordées dans le chapitre.

Une rubrique Savoir-faire présente, lorsque nécessaire, des techniques en lien avec les notions à l’étude ou prescrites de la section « Techniques » de la Progression des apprentissages

À la fin des chapitres

La Synthèse fournit un résumé théorique des principaux concepts abordés dans le chapitre.

À l’aide de questions à choix multiple, à réponse courte et à développement, les Activités de synthèse permettent un retour sur l’ensemble des notions présentées dans le chapitre.

À la fin du cahier

À l’aide de questions à choix multiple, à réponse courte et à développement, la Révision de fin d’année permet de faire un retour sur l’ensemble des connaissances acquises dans le cahier. La couleur de la pastille du numéro indique de quel univers provient la connaissance ciblée par la question.

Univers matériel

E  5 mc2 . Cette équation révolutionnaire bien connue fait le lien entre les deux fondements de l’Univers : la matière et l’énergie. Toutes les sciences naturelles et toutes les technologies modernes sont fondées sur une compréhension de plus en plus précise de ces deux quantités indissociables. À plusieurs reprises dans l’histoire des sciences, les savants ont cru avoir résolu tous les mystères concernant la matière et l’énergie. Or, de nouvelles expériences ont régulièrement ébranlé les certitudes de la communauté scientifique. Bien que nos modèles actuels permettent d’exploiter la matière et l’énergie comme jamais auparavant, de nombreux mystères demeurent.

« Un jour, à force de fouiller l’atome, un savant expliquera peut‑être la joie et la paix de l’esprit par des formules mathématiques. »

BERNARD M OITESSIER (1925-1994), NAVIGATEUR ET É CRIVAIN

SOMMAIRE

4 L’électricité et l’électromagnétisme

PROGRESSION DES APPRENTISSAGES

• Associer les particules élémentaires à leur charge électrique

• Décrire le comportement de charges électriques de signe contraire ou de même signe à proximité l’une de l’autre

• Décrire l’électricité statique comme un processus de transfert d’électrons d’un corps à un autre

• Décrire qualitativement la relation entre la tension, la valeur de la résistance et l’intensité du courant dans un circuit électrique

• Appliquer la relation mathématique entre la tension, la résistance et l’intensité du courant dans un circuit électrique

• Décrire la fonction de divers éléments d’un circuit électrique

• Décrire les deux types de branchements dans des circuits électriques (série, parallèle)

• Distinguer le courant alternatif du courant continu

• Représenter un circuit électrique simple à l’aide d’un schéma

• Appliquer la relation mathématique entre la puissance, la tension et l’intensité du courant dans un circuit électrique

• Décrire qualitativement la relation entre la puissance d’un appareil électrique, l’énergie électrique consommée et le temps d’utilisation

• Appliquer la relation mathématique entre l’énergie électrique consommée, la puissance d’un appareil électrique et le temps d’utilisation

• Expliquer la répartition du courant dans différents composants d’un circuit électrique STE

• Déterminer la valeur du courant circulant dans différents composants d’un circuit électrique en série ou en parallèle  STE

• Expliquer la répartition de la tension aux bornes de différents composants d’un circuit électrique STE

• Déterminer la valeur de la tension aux bornes de différents composants d’un circuit électrique en série ou en parallèle STE

• Déterminer la valeur de la résistance équivalente d’un circuit en série ou en parallèle à l’aide des lois d’Ohm et de Kirchhoff STE

• Représenter le champ électrique généré par des charges électriques STE

• Appliquer la relation mathématique entre la force électrique, les quantités de charges électriques et la distance qui sépare ces charges STE

• Décrire le champ magnétique produit autour d’un fil parcouru par un courant électrique (règle de la main droite)

• Nommer des moyens qui permettent de modifier l’intensité du champ magnétique produit autour d’un fil parcouru par un courant électrique (nature du fil, intensité du courant)

• Comparer le comportement d’une boussole dans le champ magnétique d’un aimant et dans celui créé par un fil parcouru par un courant électrique

• Décrire le champ magnétique produit par un solénoïde (règle de la main droite) STE

• Nommer des moyens qui permettent de modifier l’intensité du champ magnétique produit par un solénoïde (nature du noyau, intensité du courant, nombre de spires) STE

• Expliquer l’utilisation des solénoïdes dans des applications technologiques STE

Les phénomènes électriques 4.1

4.1.1 La charge électrique

L’électricité joue un rôle fondamental dans de nombreux aspects de notre vie moderne, entre autres en alimentant la plupart de nos appareils électriques. Elle est également à l’origine de plusieurs phénomènes naturels, de la foudre aux liaisons chimiques entre les atomes. Comme la charge électrique d’un corps lui permet d’interagir avec la force électrique, cette notion est essentielle pour bien comprendre les phénomènes électriques.

DÉFINITION

Charge électrique (q) : Propriété qui permet à une particule d’exercer ou de subir des forces électriques. Elle se mesure en coulombs (C)

Il existe deux types de charges électriques : la charge positive et la charge négative. Certaines particules, comme le neutron, ne possèdent aucune charge électrique. Le comportement des charges, lorsqu’elles sont placées à proximité l’une de l’autre, obéit à la loi des charges électriques. Ainsi, des charges de même signe se repoussent, tandis que des charges de signes opposés s’attirent (voir le tableau 1).

Deux charges positives se repoussent. Deux charges négatives se repoussent. Deux charges de signes opposés s’attirent.

Malgré leur grande différence de masse, le proton et l’électron possèdent des charges de même grandeur, mais de signes opposés. On appelle cette grandeur la charge élémentaire : e 5 1,602 3 10 19 C.

Le noyau d’un atome est constitué de nucléons, c’est-à-dire de protons et de neutrons ; il est donc chargé positivement. Autour de ce noyau se trouvent les électrons chargés négativement. Un atome possède normalement autant de protons que d’électrons : sa charge résultante est nulle (voir la figure 4.1).

Lorsqu’un corps électriquement neutre reçoit des électrons, sa charge résultante est négative. Au contraire, un corps qui donne des électrons a une charge résultante positive (voir la figure 4.2). Le nombre d’électrons perdus par un corps est toujours égal au nombre d’électrons gagnés par un autre corps : c’est le principe de la loi de la conservation de la charge. Comme les protons sont dans le noyau, ils ne peuvent pas être transférés d’un corps à un autre.

TABLEAU 1 La force électrique s’exerçant entre des charges

FIGURE 4.1 Un atome d’hélium

Neutre

Charge positive

Charge négative

Le corps a autant de protons que d’électrons.

Le corps a plus de protons que d’électrons.

Le corps a plus d’électrons que de protons.

4.1.2 L’électricité statique

L’effet de la force électrique sur des objets chargés peut s’observer facilement : les vêtements qui collent ensemble après un passage dans la sécheuse ou encore un ballon qui attire des confettis après qu’on l’a frotté sur des cheveux (voir la figure 4.3). Dans de telles situations, les charges électriques sont immobiles. On parle donc d’électricité statique

DÉFINITION

Électricité statique : Ensemble des phénomènes électriques liés aux charges électriques immobiles.

Pour étudier l’électricité statique, on classe les matériaux en deux grandes catégories : les conducteurs et les isolants

DÉFINITIONS

Conducteur : Matériau laissant circuler les charges électriques librement. Isolant : Matériau ne laissant pas circuler les charges électriques librement.

Les métaux, particulièrement l’or et le cuivre, sont de bons conducteurs. Les électrons libres peuvent facilement passer d’un atome à l’autre et ainsi se déplacer sur toute la surface du conducteur. Lorsqu’un isolant possède une charge électrique, celle-ci ne peut se déplacer sur ce matériau et elle reste donc au même endroit (voir la figure 4.4).

On peut électriser un objet, c’est-à-dire lui donner une charge, de trois façons différentes : l’électrisation par frottement, l’électrisation par conduction et l’électrisation par induction. Lors d’un processus d’électrisation, seuls les électrons se déplacent.

L’électrisation par frottement

Lorsqu’on frotte ensemble deux objets neutres de nature différente, la force de friction peut être suffisante pour que l’un des objets arrache les électrons de l’autre objet si ce dernier retient moins bien ses électrons.

Dans la liste électrostatique, les matériaux sont classés selon leur tendance à recevoir ou à perdre des électrons (voir la figure 4.5).

clic

Tendance à gagner

Tendance à perdre des électrons

clic

Conducteur Isolant

FIGURE 4.2

La charge résultante d’un corps

FIGURE 4.4

La répartition des charges sur un conducteur et un isolant

FIGURE 4.3 L’électricité statique

des électrons

FIGURE 4.5 La liste électrostatique

Caoutchouc Plastique Bois Coton Papier Soie Laine Verre Acétate Fourrure

Avant

Lorsque deux matériaux de cette liste sont frottés ensemble, celui qui a la plus grande tendance à gagner des électrons se charge négativement et l’autre se charge positivement (voir la figure 4.6). Les deux objets s’attirent s’ils sont près l’un de l’autre.

Pendant

Après

La tige de caoutchouc et l’étoffe de laine sont électriquement neutres.

Avant

clic

Neutre Chargée négativement

On frotte l’étoffe de laine sur la tige de caoutchouc. Certains électrons sont transférés de l’étoffe à la tige, selon la liste  électrostatique.

L’étoffe de laine est chargée positivement, car elle a perdu des électrons ; la tige de caoutchouc est chargée négativement, car elle a gagné ces électrons.

L’électrisation par conduction (ou par contact)

Lorsqu’un objet électriquement neutre et conducteur est en contact direct avec un autre objet qui possède une charge électrique, les électrons libres se déplacent afin de répartir la charge. Les deux objets possèdent ensuite une charge électrique de même signe (voir la figure 4.7).

Pendant

Lorsque les deux billes entrent en contact, les charges négatives se répartissent sur les deux billes.

L’électrisation par induction

Après

Après le contact, les deux billes sont chargées négativement.

Lorsqu’on approche un objet chargé d’un objet neutre sans contact direct, l’objet neutre subit à distance l’influence électrique de l’objet chargé. Ses électrons libres sont attirés si l’objet est chargé positivement et repoussés si l’objet est chargé négativement. Il possède alors une charge négative partielle d’un côté et positive de l’autre côté (voir la figure 4.8). On dit qu’il est polarisé. Sa charge globale reste neutre puisqu’il n’y a aucun contact, donc aucun transfert de charge. Si on éloigne la tige, les électrons libres reprennent leur place.

Avant Après Pendant

Neutre Chargée positivement

Les électrons libres sont attirés par la tige chargée positivement.

La bille a une charge temporaire négative partielle du côté qui est près la tige et positive de l’autre côté. Il y a donc attraction.

FIGURE 4.6 L’électrisation par frottement

FIGURE 4.7 L’électrisation par conduction

FIGURE 4.8 L’électrisation par induction

4.1.3 Le champ électrique STE

Une particule chargée exerce une force électrique sur toutes les autres charges qui se trouvent à proximité. Plus on s’en approche, plus la force exercée est grande (voir la figure 4.9). On peut donc dire que cette particule exerce une influence sur son environnement, ce que décrit la notion de champ électrique

DÉFINITION

Champ électrique : Influence électrique qu’exerce une charge sur son environnement.

Un champ électrique entoure donc toute particule chargée. Sa forme dépend de la grandeur et de la position des charges impliquées. Si plusieurs particules se trouvent à proximité les unes des autres, le champ électrique de chacune d’elles se combine à celui des autres. Le tableau 2 permet de visualiser les différents champs électriques. On représente la forme du champ électrique par des lignes de champ. Par convention :

1

• on les oriente de sorte qu’elles se dirigent des charges positives vers les charges négatives ;

• plus elles sont rapprochées les unes des autres, plus la grandeur du champ électrique est importante ;

• elles ne peuvent jamais se croiser.

1

Le champ électrique d’une charge ponctuelle positive est orienté vers l’extérieur, dans toutes les directions.

Le champ électrique de deux charges de même signe placées à proximité s’annule. 1 1 1

Le champ électrique de deux charges de signes opposés placées à proximité est particulièrement fort dans l’espace entre les deux charges.

FIGURE 4.9 Le champ électrique d’une charge

TABLEAU 2 La forme des différents champs électriques

Une particule chargée placée dans un champ électrique subit une force électrique. Si la particule est chargée positivement, elle subit une force orientée dans le même sens que le champ électrique. Cependant, si la particule est chargée négativement, elle subit une force orientée dans le sens opposé au champ électrique (voir la figure 4.10).

4.1.4 La loi de Coulomb STE

La force électrique qui s’exerce entre deux particules chargées immobiles dépend de la grandeur de chacune des charges ainsi que de la distance qui les sépare. La loi qui décrit le lien entre la distance qui sépare deux charges immobiles porte le nom de loi de Coulomb

DÉFINITION

Loi de Coulomb : Relation mathématique qui exprime l’intensité de la force électrique entre deux corps chargés immobiles et la distance qui les sépare. Elle stipule que l’intensité de la force électrique entre deux charges est directement proportionnelle au produit des deux charges et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare.

Constante de Coulomb, égale à 9,0 3 109 N ? m2/C2

Force électrique (en N)

F 5 kq1q2 r2

Grandeur des deux charges électriques (en C) Distance (en m)

Si les charges sont de même signe, la force électrique est positive et les charges se repoussent. Si les charges sont de signes opposés, la force électrique est négative et les charges s’attirent (voir la figure 4.11).

EXEMPLE

Quelle est la grandeur et l’orientation de la force électrique qui s’exerce entre une charge q1 5 6 3 10 6 C et une charge q2 5 8 3 10 6 C si elles sont séparées par une distance de 5 cm ?

Une force d’attraction d’environ 173 N s’exerce entre les deux charges puisque la force est négative.

F 5 ? N

FIGURE 4.11 Les forces d’attraction et de répulsion s’exerçant entre deux charges

FIGURE 4.10 Des charges électriques dans un champ électrique

1 STE Quelle caractéristique des lignes de champ électrique est erronée ?

a) Les lignes de champ partent des charges positives.

b) Les lignes de champ se dirigent vers les charges négatives.

c) Les lignes de champ peuvent se croiser.

d) Plus les lignes de champ sont rapprochées, plus la grandeur du champ est élevée.

2 Une charge électrique se trouve dans une région de l’espace où il n’y a aucune autre charge. Laquelle des affirmations suivantes est vraie ?

a) La charge produit un champ électrique.

c) La charge ne produit ni champ ni force électrique.

b) La charge produit une force électrique.

d) La charge subit une force électrique.

3 Des paires de sphères chargées sont suspendues par une ficelle et placées à proximité l’une de l’autre. Déterminez le signe de chacune des sphères.

a) Sphère A b) Sphère B

c) Sphère C d) Sphère D

4 Déterminez la méthode d’électrisation qui a été utilisée dans chaque situation.

a) Des confettis sont remués par le passage d’une tige chargée à proximité.

b) Une étoffe de coton est mise en contact avec une autre étoffe de coton chargée électriquement.

c) On frotte vigoureusement une tige de verre sur une couverture de laine.

5 Combien de charges élémentaires contient une charge électrique de 1 C ?

RÉPONSE :

Situation 1

Situation 2

Situation 3

Situation 4

6 Sophie essuie un bécher avec un morceau de papier brun, tandis que Jérôme essuie le sien avec un chiffon de coton. Le papier brun a pratiquement la même tendance à recevoir les électrons que le papier (voir la liste électrostatique, à la page 147).

a) Quelle est la charge du morceau de papier brun de Sophie ?

b) Quelle est la charge du chiffon de coton de Jérôme ?

c) Après avoir terminé de frotter leur bécher, Sophie et Jérôme approchent le morceau de papier brun du chiffon de coton. Décrivez le comportement des deux objets.

7 Pendant un laboratoire, Victoria effectue les trois manipulations suivantes :

1. Elle frotte une étoffe de laine sur une tige de caoutchouc.

2. Elle touche une bille de cuivre avec une tige de fer chargée positivement.

3. Elle approche l’étoffe de laine de la bille de cuivre.

a) Quelle est la charge de l’étoffe de laine et de la tige de caoutchouc à la suite de la première manipulation ? Expliquez votre réponse à l’aide de la liste électrostatique, à la page 147.

b) Quelle est la charge de la bille de cuivre à la suite de la deuxième manipulation ? Expliquez votre réponse.

c) Quel est le comportement de l’étoffe de laine et de la bille de cuivre au cours de la troisième manipulation ?

8 STE Dessinez les lignes de champ électrique :

a) d’une charge positive ; b) d’une charge négative.

9 STE Dans chaque cas, tracez la flèche qui représente l’orientation de la force s’exerçant sur la charge située dans un champ électrique.

a) b) 1

10 STE Deux charges électriques,

sont séparées par une distance de 2 mm.

a) Quelle est la grandeur de la force électrique qui s’exerce entre ces deux charges ?

RÉPONSE :

b) S’agit-il d’une force d’attraction ou de répulsion ? Expliquez votre réponse.

11 STE Deux charges identiques exercent entre elles une force électrique de grandeur 4,0 3 10 2 N. Quelle est la grandeur de la force électrique si :

a) on double la distance entre les charges ?

b) on diminue de moitié la distance entre les charges ?

c) on remplace l’une des charges par une charge trois fois plus grande ?

d) on remplace les deux charges par des charges trois fois plus grandes ?

12 STE Une charge q1 5 5 3 10 6 C subit une force d’attraction de 576 N provenant d’une charge q2 située 2,5 cm plus loin. Quelle est la valeur de q2 ?

RÉPONSE :

13 STE Une charge q1 5 1,2 3 10 5 C subit une force de répulsion de 270 N provenant d’une charge q2 5 4 3 10 6 C. Quelle distance sépare les deux charges ?

RÉPONSE :

4.2 Les circuits électriques

4.2.1 Les éléments de circuit

Dans la section précédente, nous avons étudié l’électricité statique, c’est-à-dire le comportement des charges électriques au repos. La plupart des appareils électriques modernes fonctionnent à l’électricité, mais celle-ci est générée par le déplacement des électrons libres dans un conducteur. Ce domaine d’étude se nomme l’électricité dynamique

DÉFINITION

Électricité dynamique : Ensemble des phénomènes liés aux charges électriques en mouvement dans un conducteur.

Lorsqu’un ou plusieurs matériaux conducteurs sont assemblés de façon à laisser les charges électriques se déplacer sur un parcours fermé (boucle), ils forment un circuit électrique.

DÉFINITION

Circuit électrique : Ensemble de composants conducteurs d’électricité à travers lesquels des charges électriques peuvent se déplacer et effectuer une boucle fermée.

Un grille-pain, une lampe de poche, un réfrigérateur ou encore une perceuse sont des exemples d’objet technologique qui contiennent des circuits électriques. Ils doivent minimalement comporter les éléments suivants :

• Une source d’énergie qui fournit aux électrons l’énergie électrique dont ils ont besoin pour traverser le circuit, par exemple une pile.

• Des éléments de circuit dans lesquels l’énergie électrique des électrons est transformée en une autre forme d’énergie (thermique, mécanique, etc.).

• Des fils conducteurs permettant de relier les éléments de circuit entre eux. Lorsque le parcours effectué par les charges électriques est une boucle, c’est-à-dire que les charges électriques sont en mesure de revenir à leur point de départ, on dit que le circuit est fermé (voir la figure 4.12). Lorsqu’un fil est déconnecté ou que l’interrupteur est ouvert, les charges ne se déplacent pas, on dit alors que le circuit est ouvert (voir la figure 4.13).

Un circuit simple fermé : les charges se déplacent et l’ampoule est allumée.

Un circuit simple ouvert : l’interrupteur est ouvert, les charges ne se déplacent pas et l’ampoule reste éteinte.

FIGURE 4.12

Un circuit électrique simple fermé

FIGURE 4.13

Un circuit électrique simple ouvert

On schématise les circuits électriques en représentant chacun de leurs composants par un symbole normalisé (voir le tableau 3).

4.2.2 Les types de circuits

Le circuit électrique d’un appareil peut être complexe en raison du nombre élevé de trajets que peuvent emprunter les électrons. Examinons les différentes façons de relier simplement les éléments d’un circuit (voir le tableau 4).

Deux ou plusieurs éléments sont reliés les uns à la suite des autres, offrant un seul trajet (boucle) au courant électrique.

En parallèle

Deux ou plusieurs éléments sont reliés à la source, offrant autant de trajets (boucles) au courant qu’il y a d’éléments.

TABLEAU 3 Les principaux symboles normalisés

TABLEAU 4 Les types de circuits

Un circuit en série présente un inconvénient important : si l’un de ses composants est défectueux, la boucle est ouverte, le courant cesse de circuler dans tout le circuit, et tous les composants cessent de fonctionner. En revanche, dans un circuit en parallèle, un composant défectueux ne nuit pas aux autres, car le courant continue de circuler dans les autres boucles qui sont fermées (voir la figure 4.14). Le réseau électrique d’un domicile est relié en parallèle ; une ampoule défectueuse n’empêche donc pas la cuisinière de fonctionner !

Atomes

Électrons libres

Noyaux

Si l’ampoule A est grillée, l’ampoule B s’éteint seulement dans le circuit en série.

FIGURE 4.14 La conséquence d’un composant défectueux dans un circuit en série et dans un circuit en parallèle

4.2.3 Le courant électrique

Dans les conducteurs, tels que le cuivre et l’or, les atomes peuvent facilement s’échanger leurs électrons ; ce sont des électrons libres. Une fois qu’un premier électron est mis en mouvement par la source d’alimentation, il induit le mouvement d’un autre électron à proximité, créant un flux d’électrons dans le circuit (voir la figure 4.15). Ces charges en mouvement constituent le courant électrique. Le débit des charges est mesuré par l’intensité du courant.

DÉFINITIONS

Courant électrique : Déplacement ordonné de charges électriques dans un circuit. Intensité du courant ( I ) : Quantité de charges qui traversent un point du circuit chaque seconde. Elle se mesure en ampères (A) : 1 A 5 1 C/s.

L’intensité du courant peut donc se calculer ainsi :

Intensité du courant électrique (en A)

EXEMPLE

Durant un intervalle de 15 s, un conducteur est traversé par une charge totale de 9 C. Quelle est l’intensité du courant passant à travers ce conducteur ?

Charge électrique (en C)

Intervalle de temps (en s)

DONNÉES CALCULS RÉPONSE

L’intensité du courant est de 0,6 A.

FIGURE 4.15 Des électrons libres se déplaçant dans un conducteur

On utilise un ampèremètre pour mesurer l’intensité du courant dans un circuit. On doit le brancher en série avec un élément pour mesurer le débit de charges électriques qui y circule (voir la figure 4.16).

DÉFINITION

Ampèremètre : Appareil servant à mesurer l’intensité du courant dans un circuit électrique.

Le savoir-faire 5, à la page 160, montre comment brancher un ampèremètre dans un circuit électrique.

On distingue deux types de courant : le courant continu et le courant alternatif (voir le tableau 5).

DÉFINITIONS

Courant continu (CC) : Courant dont la valeur ne varie pas dans le temps et qui circule toujours dans la même direction.

Courant alternatif (CA) : Courant dont la valeur varie périodiquement et qui circule en alternance dans un sens ou dans l’autre.

TABLEAU 5 Les types de courant

Un courant continu est constant dans le temps. Il parcourt toujours le circuit dans la même direction et avec la même intensité.

REPRÉSENTATION GRAPHIQUE t (s)

1

FIGURE 4.16 Un circuit comportant un ampèremètre

Un courant alternatif varie selon un cycle régulier et circule en alternance dans un sens ou dans l’autre.

I (A)

I (A) t (s)

En Amérique du Nord, les centrales électriques produisent un courant alternatif de 60 Hz, ce qui signifie que le courant change de sens 60 fois par seconde. Un tel courant convient très bien à de nombreux appareils électriques : réfrigérateurs, cuisinières et télévisions (pour ne nommer que ceux-ci).

Cependant, les appareils alimentés par une pile nécessitent un courant continu. Pour recharger un ordinateur ou un téléphone portable, par exemple, il faut donc utiliser un bloc d’alimentation dont la fonction est de transformer le courant alternatif provenant de la prise de courant en courant continu.

Dans ce chapitre, nous examinerons seulement des circuits électriques alimentés par un courant continu afin d’en simplifier l’étude.

Sens conventionnel du courant (I )

Sens réel du courant (é)

Pour que les charges circulent dans un circuit, celui-ci doit comporter au moins un composant qui fournit de l’énergie électrique, une pile, par exemple. Par convention, on représente le courant électrique comme se dirigeant de la borne positive à la borne négative ; c’est le sens conventionnel du courant.

Cette représentation suppose que ce sont les charges positives qui se déplacent. Cette hypothèse provient d’une erreur historique de la fin du 18e siècle. Nous savons maintenant que ce sont les électrons, les charges négatives, qui se déplacent dans le circuit. Elles se déplacent de la borne négative à la borne positive, c’est le sens réel du courant (voir la figure 4.17). Dans ce chapitre, c’est le sens conventionnel du courant qui est utilisé.

4.2.4 La différence de potentiel

Dans un circuit électrique, les charges en mouvement transfèrent de l’énergie aux éléments qu’elles traversent. Cette énergie peut ensuite être transformée, par exemple lorsqu’une ampoule transforme l’énergie électrique en énergie rayonnante. La variation d’énergie que possède une charge avant et après son passage dans un élément se nomme la différence de potentiel (ou la tension électrique).

DÉFINITION

Différence de potentiel (U ) : Variation d’énergie par unité de charge entre deux points d’un circuit électrique. Elle se mesure en volts (V) : 1 V 5 1 J/C

La différence de potentiel entre deux points d’un circuit peut donc se calculer ainsi :

Variation d’énergie (en J)

EXEMPLE

Un élément de circuit électrique se voit transférer 0,4 J d’énergie alors qu’il est traversé par une charge totale de 0,02 C. Quelle est la différence de potentiel entre les bornes de cet élément ?

Différence de potentiel (en V)

Charge électrique (en C)

DONNÉES CALCULS RÉPONSE

La différence de potentiel est de 20 V.

On utilise le voltmètre pour mesurer la différence de potentiel. On doit le brancher en parallèle aux bornes d’un élément afin de mesurer l’énergie des charges avant et après qu’elles ont traversé cet élément (voir la figure 4.18). Le voltmètre mesure l’énergie transférée aux charges par la source d’alimentation et l’énergie transférée aux éléments par les charges.

DÉFINITION

Voltmètre : Appareil servant à mesurer la différence de potentiel dans un circuit électrique.

Le savoir-faire 5, à la page 161, montre comment brancher un voltmètre dans un circuit électrique.

FIGURE 4.18

Un circuit comportant un voltmètre

FIGURE 4.17 Le sens conventionnel et le sens réel du courant

4.2.5 La résistance

Certains éléments des circuits électriques, comme les ampoules et les résistors, s’opposent au passage des charges et occasionnent des pertes d’énergie, c’est-à-dire la transformation de l’énergie électrique en une autre forme, en chaleur par exemple. Cette opposition se nomme résistance. Plus la résistance d’un élément est grande, plus les charges électriques perdent de l’énergie en le traversant.

DÉFINITION

Résistance (R) : Capacité d’un matériau à s’opposer au passage du courant électrique. Elle se mesure en ohms (V)

Un bon conducteur a donc une faible résistance. On considère qu’un matériau isolant a une résistance infinie puisqu’il ne laisse pas passer les charges.

Un élément dont la résistance est constante est également appelé résistance ou résistor. Le terme résistance possède donc deux significations : la propriété elle-même (mesurée en ohms) et un élément d’un circuit qui transforme l’énergie électrique en une autre forme d’énergie (voir la figure 4.19).

Le tableau 6 présente les facteurs qui influencent la résistance au passage du courant d’un matériau.

6

FACTEUR INFLUENCE EXEMPLES

Nature du matériau

Un bon conducteur laisse passer le courant plus facilement et a une faible résistance.

Diamètre Plus le diamètre d’un élément est petit, plus le risque de collision entre les charges est grand et plus la résistance est élevée.

L’or et le cuivre sont de meilleurs conducteurs que le nichrome.

Longueur Plus un composant est long, plus le risque de collision entre les charges est grand et plus la résistance est élevée.

Température Plus la température d’un élément augmente, plus les électrons s’agitent et le risque de collision entre les charges croît, plus la résistance est élevée.

Le fil 2 a une plus grande résistance que le fil 1

1 m 3 m

Le fil de 3 m a une plus grande résistance que celui de 1 m.

À 30 °C, la résistance d’un fil est plus grande qu’à 0 °C.

FIGURE 4.19 Des exemples de résistors (ou résistances)

TABLEAU

Les facteurs qui influencent la résistance d’un matériau

La mesure de l’intensité du courant et de la différence de potentiel

L’appareil qui sert à mesurer l’intensité du courant en un point du circuit se nomme l’ampèremètre. On le branche en série avec l’élément du circuit pour lequel on désire mesurer l’intensité du courant (en A) qui y circule. Dans de petits circuits électriques, le courant mesuré est plutôt de l’ordre des milliampères (mA).

L’appareil qui sert à mesurer la différence de potentiel dans un circuit se nomme le voltmètre. On le branche en parallèle avec l’élément du circuit pour lequel on désire mesurer la différence de potentiel. Le choix de l’échelle de mesure pour les appareils analogiques se fait manuellement en branchant un fil dans la borne positive (rouge) désirée.

De nos jours, on utilise un multimètre numérique pour effectuer des mesures dans un circuit électrique. Simplement en tournant le bouton de sélection, cet appareil peut servir de voltmètre, d’ampèremètre ou même d’ohmmètre (pour mesurer la résistance d’un élément).

Les tableaux 7 et 8 indiquent comment utiliser un ampèremètre et un voltmètre.

Affichage numérique

Bouton de sélection

Mode ampèremètre (CC)

Borne positive (1) (en mode ampèremètre et selon le choix de l’échelle)

DÉMARCHE EXEMPLE

1. Réaliser le montage du circuit électrique sans brancher l’ampèremètre. Laisser la source de courant fermée.

2. Brancher un fil dans la borne négative de l’ampèremètre.

Mode voltmètre (CC)

Borne négative ( )

Borne positive (1) (en mode voltmètre)

TABLEAU 7 L’utilisation de l’ampèremètre

DÉMARCHE

3. Ouvrir le circuit électrique en débranchant le fil qui se trouve avant l’élément du circuit dans lequel on désire mesurer l’intensité du courant.

EXEMPLE

4. Brancher le fil de l’ampèremètre dans l’élément du circuit et brancher le fil qui a été débranché à l’étape 3 dans la plus grande échelle de l’ampèremètre.

5. Allumer la source de courant et lire la mesure de l’intensité du courant sur l’ampèremètre.

6. Afin d’obtenir une valeur plus précise, choisir l’échelle qui se rapproche le plus de la valeur mesurée.

DÉMARCHE

1. Réaliser le montage du circuit électrique sans brancher le voltmètre. Laisser la source de courant fermée.

EXEMPLE

2. Brancher un fil dans la borne négative du voltmètre et un autre dans la borne positive. S’il y a plus d’une échelle de mesure, commencer par la plus grande.

3. Brancher le voltmètre aux bornes de l’élément. Le fil branché dans la borne négative du voltmètre doit être orienté vers la borne négative de la source de courant, tandis que le fil branché dans la borne positive doit être orienté vers la borne positive de la source.

4. Allumer la source de courant et lire la mesure de la différence de potentiel sur le voltmètre.

5. Afin d’obtenir une valeur plus précise, choisir l’échelle qui se rapproche le plus de la valeur mesurée.

L2

L2

L2

L2

L1

L1

TABLEAU 8 L’utilisation du voltmètre

1 Dans chaque cas :

1) représentez le circuit électrique à l’aide des symboles normalisés ;

2) indiquez s’il s’agit d’un circuit en série ou en parallèle.

a) b)

1)

1)

2) 2)

2 Indiquez si chacun des appareils suivants est alimenté par un courant continu ou un courant alternatif.

a) Un réfrigérateur

c) Un téléphone portable

b) Une lampe de poche

d) Une laveuse

3 On désire mesurer la différence de potentiel aux bornes de l’ampoule et l’intensité du courant dans le résistor de chacun des circuits ci-dessous. Encerclez les appareils de mesure qui sont correctement branchés dans chacun des circuits pour effectuer ces mesures. 1

a) b)

4 Parmi les circuits électriques ci-dessous, indiquez celui qui permet seulement d’allumer :

• l’ampoule 1 (L1) lorsque l’interrupteur 1 (S1) est fermé et l’interrupteur 2 (S2) est ouvert ;

• l’ampoule 2 (L2) lorsque l’interrupteur 1 (S1) est ouvert et l’interrupteur 2 (S2) est fermé.

a)

c)

5 Représentez les circuits décrits ci-dessous.

a) Un résistor R1 et un résistor R2 sont branchés en série avec une pile et controlés par un interrupteur.

b)

c) Une source et trois ampoules branchées les unes à la suite des autres sont contrôlées par un interrupteur. On mesure la tension et l’intensité du courant à la source.

d)

b) Une source et trois résistors R1, R2 et R3 sont branchés en parallèle. Chacun des trois résistors est contrôlé par son propre interrupteur.

d) Une ampoule et un résistor sont contrôlés par un interrupteur et sont branchés en parallèle avec une pile. Un appareil mesure la différence de potentiel aux bornes du résistor et un autre mesure l’intensité du courant entrant dans l’ampoule.

6 Si la première ampoule dans chacun des circuits ci-dessous est grillée, la seconde peut-elle encore fonctionner ? Expliquez votre réponse. 1 1

a) b)

7 Un élément d’un circuit reçoit un courant de 6 A pendant 1 minute. Quelle est la charge électrique totale qui a traversé cet élément ?

RÉPONSE :

8 Un séchoir est branché sur une prise qui lui fournit un courant de 15 A. Après combien de temps le séchoir aura-t-il reçu une charge de 1350 C ?

RÉPONSE :

9 Quelle est la différence de potentiel dans un appareil électrique si l’énergie transmise par 40 C est de 4800 J ?

RÉPONSE :

10 Dans tous les cas suivants, indiquez si la résistance d’un élément augmente ou diminue.

a) On remplace le matériau constituant l’élément par un matériau moins conducteur.

c) On diminue le diamètre de l’élément.

b) On diminue la longueur de l’élément.

d) On diminue la température de l’élément.

4.3 L’analyse des circuits électriques

4.3.1 La loi d’Ohm

Il existe une relation entre l’intensité du courant qui traverse un élément, la différence de potentiel à ses bornes et sa résistance. On appelle cette relation la loi d’Ohm :

Différence de potentiel (en V)

U 5 R 3 I

EXEMPLE 1

Un courant de 0,5 A traverse une ampoule dont la résistance est de 12 V. Quelle est la tension aux bornes de cette ampoule ?

EXEMPLE 2

Un résistor est traversé par un courant de 5 A lorsqu’on lui applique une différence de potentiel de 12 V. Quelle est sa résistance ?

Résistance (en V)

Intensité du courant (en A)

DONNÉES CALCULS RÉPONSE

I 5 0,5 A

R 5 12 V

U 5 ? V

U 5 R 3 I

U 5 12 V 3 0,5 A

U 5 6 V

La tension aux bornes de l’ampoule est de 6 V.

DONNÉES CALCULS RÉPONSE

U 5 12 V

I 5 5 A

R 5 ?

On peut déterminer expérimentalement la résistance d’un résistor en réalisant un circuit simple composé d’une source d’alimentation et du résistor inconnu. Lorsqu’on fait varier la tension à la source, on peut effectuer des mesures d’intensité du courant et de tension aux bornes du résistor. On trace ensuite le graphique de la tension en fonction de l’intensité du courant (voir la figure 4.20).

On observe que la différence de potentiel est directement proportionnelle à l’intensité du courant, comme le stipule la loi d’Ohm (U 5 R 3 I ). Le taux de variation de la droite correspond à la valeur de la résistance du résistor inconnu puisqu’elle est constante.

EXEMPLE

À l’aide du graphique ci-contre, déterminez la valeur expérimentale de la résistance du résistor.

DONNÉES CALCULS RÉPONSE

U2 5 8 V

U1 5 2 V

I2 5 0,32 A

I1 5 0,08 A

R 5 ? V

R 5 DU DI

R 5 U2 2 U1

I2 2 I1

R 5 8 V 2 2 V 0,32 A 2 0,08 A 5 25 V

La valeur expérimentale de la résistance est de 25 V

U = R 3 I ⇒ R 5 U I

R 5 12 V 5 A 5 2,4 V

Le résistor a une résistance de 2,4 V

FIGURE 4.20 La détermination expérimentale de la valeur de la résistance d’un résistor

Boucle 1

Nœuds Nœuds

Boucle 2

Boucle 3

4.3.2 Les lois de Kirchhoff STE

Que le circuit soit en série ou en parallèle, on peut déterminer la différence de potentiel appliquée à tous les éléments, ainsi que le courant qui les traverse. Pour y arriver, on utilise deux lois fondamentales formulées par le physicien allemand Gustav Kirchhoff au milieu du 19e siècle, les lois de Kirchhoff : la loi des nœuds et la loi des boucles Par définition, un nœud est un point du circuit où le courant peut emprunter plusieurs trajets ou un point du circuit où les courants se regroupent. Une boucle est quant à elle un trajet possible pour le courant entre la borne positive et la borne négative de la source d’alimentation (voir la figure 4.21).

DÉFINITION

Loi des nœuds : Le courant total qui entre dans un nœud est égal au courant total qui en sort.

Mathématiquement, pour un nœud, on peut écrire :

Intensité du courant à la source (en A)

Intensité du courant des N trajets du circuit (en A)

Cette loi, aussi appelée loi des courants ou première loi de Kirchhoff, découle de la loi de la conservation des charges : le nombre de charges qui entre dans un nœud est toujours le même que le nombre de charges qui en ressort. Dans un circuit qui comporte un seul élément ou encore dans un circuit en série, il n’y a pas de nœuds, donc le courant est le même partout. Les charges électriques ne peuvent emprunter qu’un seul trajet, donc une seule boucle. Le tableau 9 illustre la loi des nœuds pour les circuits en série et les circuits en parallèle.

CIRCUIT EN SÉRIE

En l’absence de nœuds, tout le courant fourni par la source passe par chacun des résistors R1, R2 et R3

CIRCUIT EN PARALLÈLE

Le courant fourni par la pile se divise lorsqu’il rencontre un nœud. Il est donc partagé entre les trois résistors R1, R2 et R3 À chacun des nœuds suivants, le courant se rejoint.

TABLEAU 9 La loi des nœuds

FIGURE 4.21 Les boucles et les nœuds dans un circuit

EXEMPLE

Déterminez l’intensité du courant mesurée par l’ampèremètre dans le circuit représenté ci-contre.

DONNÉES CALCULS RÉPONSE

Is 5 0,5 A

I1 5 0,1 A

I3 5 0,1 A

IA 5 ? A

1. Intensité du courant au deuxième nœud (circuit en parallèle) :

Is 5 I1 1 I2 1 I3

I2 5 Is I1 I3

I2 5 0,5 A 0,1 A 0,1 A 5 0,3 A

2. Intensité du courant dans l’ampèremètre :

IA 5 I2 1 I3

IA 5 0,3 A 1 0,1 A 5 0,4 A

DÉFINITION

Le courant mesuré par l’ampèremètre est de 0,4 A.

I s 5 0,5 A

I1 5 0,1 A I3 5 0,1 A

R3 R2 R1

Loi des boucles : La différence de potentiel fournie par la source est égale à la somme des différences de potentiel de tous les autres composants dans une boucle de circuit.

Mathématiquement, pour une boucle, on peut écrire :

Différence de potentiel de la source (en V)

Différences de potentiel de N autres éléments (en V) dans une boucle

Cette loi, aussi appelée loi des tensions ou deuxième loi de Kirchhoff, découle de la loi de la conservation de l’énergie : l’énergie fournie aux charges par la source d’alimentation est complètement transférée aux éléments du circuit se trouvant dans une boucle. Le tableau 10 illustre la loi des boucles pour les circuits en série et les circuits en parallèle.

TABLEAU 10 La loi des boucles

CIRCUIT EN SÉRIE

CIRCUIT EN PARALLÈLE

I s 5 0,5 A

1

L’unique boucle de ce circuit comporte trois résistors. La différence de potentiel de la pile est répartie entre ces trois résistors.

Ce circuit contient trois boucles, chacune comportant un seul résistor. Chaque résistor reçoit l’entière différence de potentiel de la pile.

EXEMPLE

Déterminez la différence de potentiel aux bornes de l’ampoule 2 (L2) dans le circuit représenté ci-contre.

DONNÉES CALCULS RÉPONSE

Us 5 24 V

U1 5 12 V

U3 5 10 V

U2 5 ? V

Il s’agit d’un circuit en série :

Us 5 U1 1 U2 1 U3

U2 5 Us U1 U3

U2 5 24 V 12 V 10 V 5 2 V

La différence de potentiel aux bornes de l’ampoule 2 est de 2 V.

4.3.3 La résistance équivalente STE

Lorsqu’un circuit contient des résistors reliés en série ou en parallèle, il est possible de les remplacer par une seule résistance appelée résistance équivalente (Réq) Cette méthode simplifie l’analyse des circuits électriques et résulte de la combinaison des deux lois de Kirchhoff et de la loi d’Ohm. Les tableaux 11 et 12 présentent cette méthode pour les circuits en série et pour les circuits en parallèle.

Selon la loi des boucles, dans un circuit en série, la différence de potentiel à la source (Us ) est donnée par :

Puisque la loi d’Ohm (U 5 R 3 I ) s’applique à chacun des résistors du circuit, on peut écrire :

Selon la loi des nœuds, dans un circuit en série, l’intensité du courant fournie par la source est la même que celle qui circule dans tout le circuit. On écrit alors :

Si on met en évidence l’intensité du courant à la source ( Is ), l’équation devient :

En éliminant Is dans chaque membre de l’équation, on obtient que la résistance équivalente dans un circuit en série est donnée par :

EXEMPLE

Une pile de 12 V est reliée à deux résistors en série de 2 V et de 4 V. Quelle est la résistance équivalente de ce circuit ?

DONNÉES CALCULS RÉPONSE

R1 5 2 V

R2 5 4 V

Réq 5 ? V

Réq 5 R1 1 R2 Réq 5 2 V 1 4 V Réq 5 6 V

La résistance équivalente du circuit est de 6 V

TABLEAU 11 La résistance équivalente dans un circuit en série

Selon la loi des nœuds, dans un circuit en parallèle, l’intensité du courant à la source ( Is ) est donnée par :

Puisque la loi d’Ohm (U 5 R 3 I ) s’applique à chacun des résistors du circuit, on peut remplacer I par

R :

Selon la loi des boucles, dans un circuit en parallèle, la différence de potentiel est toujours la même. On écrit alors :

Si on met en évidence la différence de potentiel à la source (Us), l’équation devient :

En éliminant Us de chaque côté de l’équation, on obtient que la résistance équivalente dans un circuit en parallèle est donnée par :

EXEMPLE

Une pile de 12 V est reliée à deux résistors en parallèle de 2 V et de 4 V

Quelle est la résistance équivalente de ce circuit ?

DONNÉES CALCULS

R1 5 2 V

R2 5 4 V

Réq 5 ? V

Réq 5 1 1

R1 1 1 R2

Réq 5 1 1

2 V 1 1 4 V

Réq < 1,33 V

RÉPONSE

La résistance équivalente est d’environ 1,33 V.

Dans un circuit en parallèle, plus on ajoute des résistors, plus la résistance équivalente diminue. De plus, sa valeur est inférieure à celle du résistor le plus faible du circuit électrique.

Le savoir-faire 6, à la page suivante, montre comment analyser des circuits électriques afin de déterminer les valeurs de tension, de courant et de résistance de chacun de ses composants.

TABLEAU 12 La résistance équivalente dans un circuit en parallèle

SAVOIRFAIRE 6

L’analyse des circuits électriques STE

L’analyse des circuits électriques permet de déterminer les valeurs de tension, de courant et de résistance de chacun de ses composants.

La loi d’Ohm détermine la relation entre le courant qui traverse une résistance et la différence de potentiel entre ses bornes :

Différence de potentiel (en V)

L’application de la loi d’Ohm et des deux lois de Kirchhoff est résumée dans le tableau 13.

TABLEAU 13 L’application de la loi d’Ohm et des lois de Kirchhoff selon le type de circuit

Type de circuit Circuit en série

Description

Différence de potentiel (U ) (loi des boucles)

Intensité du courant ( I ) (loi des nœuds)

Résistance équivalente (Réq )

Deux ou plusieurs éléments sont reliés les uns à la suite des autres, offrant un seul trajet au courant électrique.

Résistance (en V)

Intensité du courant (en A)

Circuit en parallèle

Deux ou plusieurs éléments sont reliés à la source, offrant autant de trajets au courant qu’il y a d’éléments.

L’utilisation d’un tableau permet de mieux organiser l’information au cours de l’analyse d’un circuit. Celui-ci permet également de visualiser à quel moment appliquer l’une ou l’autre des lois ou des formules.

EXEMPLE 1

À l’aide des informations fournies dans le schéma électrique ci-contre, déterminez les valeurs manquantes de résistance, de différence de potentiel et d’intensité du courant.

1. Reporter les valeurs connues dans le tableau.

2. Déterminer si le circuit est en série ou en parallèle pour choisir quelles formules utiliser. Il s’agit d’un circuit en série.

Puisqu’il s’agit d’un circuit en série : U 5 R 3 I (loi d’Ohm)

3. Calculer les valeurs manquantes en laissant des traces de sa démarche.

a) Loi des nœuds

Is 5 I1 5 I2 5 I3 5

b) Loi d’Ohm pour tous les éléments du circuit

U

EXEMPLE 2

À l’aide des informations fournies dans le schéma électrique ci-contre, déterminez les valeurs manquantes de résistance, de différence de potentiel et d’intensité du courant.

1. Reporter les valeurs connues dans le tableau.

2. Déterminer si le circuit est en série ou en parallèle. Il s’agit d’un circuit en parallèle.

Puisqu’il s’agit d’un circuit en parallèle

3. Calculer les valeurs manquantes en laissant des traces de sa démarche. a)

1 À quel résistor mesure-t-on la plus grande différence de potentiel ?

a) Un résistor de 3 V traversé par un courant de 10 A

b) Un résistor de 5 V traversé par un courant de 8 A

c) Un résistor de 6 V traversé par un courant de 6 A

d) Un résistor de 12 V traversé par un courant de 4 A

2 On double la valeur de la différence de potentiel appliquée à une résistance. Quelle affirmation est vraie ?

a) Le courant reste constant et la valeur de la résistance est doublée.

b) Le courant est doublé et la valeur de la résistance reste constante.

c) Le courant diminue de moitié et la valeur de la résistance reste constante.

d) Le courant reste constant et la valeur de la résistance diminue de moitié.

3 STE Dans lequel ou lesquels de ces circuits les deux ampèremètres mesureront-ils des courants identiques ?

a) b) c) d)

4 V

4 On applique une différence de potentiel de 8 V aux bornes d’un résistor et on y mesure un courant de 0,4 A. Que devient l’intensité de ce courant si on fait passer la différence de potentiel à 15 V ?

RÉPONSE :

5 On analyse un élément de circuit inconnu. Lorsqu’on y applique une différence de potentiel de 8 V, il est traversé par un courant de 2 A. Si la différence de potentiel passe à 12 V, l’intensité du courant devient égale à 4 A. Cet élément est-il un résistor ? Justifiez votre réponse.

RÉPONSE :

6 À la suite d’un laboratoire, un élève trace le graphique de la différence de potentiel en fonction de l’intensité du courant de deux résistors. À partir des données obtenues, déterminez lequel des deux résistors a la plus grande résistance.

Di érence de potentiel en fonction de l’intensité du courant Résistor 1 Résistor 2

RÉPONSE :

7 STE Déterminez la résistance équivalente de chacun des circuits suivants.

a)

b)

8 a) STE Trois résistors identiques sont reliés en série. Si la résistance équivalente est de 120 V, quelle est la résistance de chaque résistor ?

RÉPONSE :

b) Trois résistors identiques sont reliés en parallèle. Si la résistance équivalente est de 120 V, quelle est la résistance de chaque résistor ?

RÉPONSE :

9 STE L’ampèremètre du circuit ci-dessous mesure un courant de 4 A. Quelle est la valeur de la résistance R2 ? 1

200 V

RÉPONSE :

10 STE Quelle est la tension mesurée par le voltmètre du circuit représenté ci-dessous ?

RÉPONSE :

11 STE Déterminez l’intensité du courant à la source des circuits suivants sachant que

R1 5 20 V, R2 5 50 V, R3 5 100 V et R4 5 200 V.

a) R1 R4

44 V 1

RÉPONSE :

b)

2 20 V 1

2

RÉPONSE :

c)

RÉPONSE :

12 STE Déterminez la valeur mesurée par le voltmètre dans les circuits suivants sachant que

R1 5 10 V, R2 5 25 V et R3 5 100 V.

a)

3 12 V 1

b) R2 R3

20 V 1

RÉPONSE :

RÉPONSE :

13 STE À l’aide des informations fournies dans les schémas électriques ci-dessous, déterminez les valeurs manquantes de résistance, de différence de potentiel et d’intensité du courant.

a) b)

4.4 La puissance et l’énergie électriques

4.4.1 La relation entre la puissance et l’énergie électriques

Les appareils électriques ne transforment pas au même rythme l’énergie qu’on leur fournit. Plus l’appareil travaille rapidement, plus il possède une grande puissance électrique

DÉFINITION

Puissance électrique (P) : Quantité d’énergie transformée par un appareil électrique par unité de temps. Elle se mesure en watts (W)

Ainsi définie, la puissance électrique peut être calculée, tant pour une source d’énergie que pour un élément du circuit qui reçoit de l’énergie, à l’aide de la relation suivante :

Énergie (en J)

Puissance (en W)

P 5 E

EXEMPLE 1

Un moteur transforme 4000 J d’énergie pendant un intervalle de 25 s. Quelle est la puissance de ce moteur ?

E

Intervalle de temps (en s)

DONNÉES CALCULS RÉPONSE

Ce moteur a une puissance de 160 W.

EXEMPLE 2

Quelle est la quantité d’énergie consommée par une ampoule de 60 W allumée 4 heures par jour pendant 31 jours ?

DONNÉES

P 5 60 W

Dt 5 4 h 3 31 jours 5 124 h

E 5 ? J

1.

CALCULS RÉPONSE

L’ampoule consomme 26 784 000 J pendant les 31 jours.

2. Énergie consommée :

La majorité des appareils électriques domestiques portent une fiche signalétique qui correspond à leur carte d’identité (voir la figure 4.22). On y trouve généralement le numéro de modèle accompagné d’informations sur son fonctionnement : la tension U (en V), l’intensité du courant I (en A), la puissance P (en W ou en kW) et la fréquence d’alimentation (en Hz).

L’emplacement de la fiche varie d’un appareil à l’autre, comme le rebord d’une porte ou l’arrière de l’appareil. La fiche signalétique peut prendre la forme d’une plaque, d’un autocollant ou être simplement gravée sur l’appareil.

MODÈLE 3V24L

Fabriqué au Canada

120 V 7 A

1540 W

60 Hz

FIGURE 4.22

La fiche signalétique d’un appareil

Dans l’exemple 2 de la page précédente, on remarque que la consommation mensuelle d’une seule ampoule de 60 W est de l’ordre des millions de joules. L’unité de mesure dans le système international d’unités (SI) pour l’énergie n’est pas adaptée pour calculer la consommation totale d’une habitation, d’une industrie ou encore d’une ville. Les producteurs et les distributeurs d’énergie électrique utilisent donc une autre unité de mesure : le kilowattheure (kWh)

La puissance de l’appareil est alors exprimée en kilowatt (kW) et le temps est mesuré en heures (h). À l’aide de la formule de la puissance, on peut déterminer la quantité d’énergie que représente 1 kWh en joules sachant que 1 kW 5 1000 W et que 1 h 5 3600 s :

Ainsi, la consommation d’énergie électrique de l’ampoule de l’exemple 2 est de 7,44 kWh :

E 5 P 3 Dt 5 0,06 kW 3 124 h 5 7,44 kWh

4.4.2 La relation entre la puissance, l’intensité du courant et la différence de potentiel

Nous avons vu que la différence de potentiel correspond à la variation de l’énergie par unité de charge, tandis que le courant électrique représente la charge traversant un composant d’un circuit par unité de temps. Le produit de ces deux grandeurs permet aussi d’obtenir la puissance électrique d’un appareil :

Différence de potentiel (en V)

Puissance (en W)

P 5 U 3 I

Intensité du courant (en A)

En effet, en substituant à chaque grandeur la formule qui permet de la calculer, on obtient la définition de la puissance :

EXEMPLE

Une pile de 9 V produit un courant de 4 A dans un circuit. Quelle est la puissance fournie par cette pile ?

DONNÉES CALCULS

U 5 9 V

I 5 4 A

P 5 ?

P 5 U 3 I

P 5 9 V 3 4 A

P 5 36 W

RÉPONSE

Cette pile fournit une puissance de 36 W.

1 Laquelle des piles suivantes fournit la puissance la plus élevée ?

a) Une pile de 3 V qui génère un courant de 6 A

b) Une pile de 6 V qui génère un courant de 5 A

c) Une pile de 9 V qui génère un courant de 4 A

d) Une pile de 12 V qui génère un courant de 2 A

2 Un résistor de 12 V est traversé par un courant de 4 A. Quelle est la puissance de ce résistor ?

RÉPONSE :

3 Un micro-onde de 1200 W fonctionne 12 minutes. Quelle quantité d’énergie consomme-t-il :

a) en joules ?

RÉPONSE :

b) en kilowattheures ?

RÉPONSE :

4 Un séchoir à cheveux est soumis à une différence de potentiel de 120 V et à une intensité du courant de 15 A pendant 25 minutes. Quelle quantité d’énergie (en J) consomme-t-il ?

RÉPONSE :

5 La fiche signalétique d’un grille-pain est représentée ci-contre. Combien de temps le grille-pain a-t-il été utilisé dans la journée s’il a consommé 192 000 J d’énergie électrique ?

Modèle R3Z1 800 W 60 Hz 120 V

RÉPONSE :

6 Parmi les activités décrites ci-contre, laquelle consomme la plus grande quantité d’énergie électrique ?

• Prendre une douche de 10 minutes (3,32 kWh)

• Regarder la télévision (160 W) pendant 45 minutes

• Allumer une lampe de 0,1 kW pendant 1 heure et 48 minutes

• Démarrer le lave-vaisselle pour un cycle rapide (1000 Wh)

RÉPONSE :

7 Le tableau ci-contre indique l’énergie consommée par trois modèles de téléviseurs en fonction de leur temps d’utilisation. Lequel des trois téléviseurs possède la plus petite puissance ?

Énergie consommée par trois modèles de téléviseurs

4.5 Les phénomènes électromagnétiques

4.5.1 Le magnétisme

Dès l’Antiquité, les Grecs ont observé qu’un certain minerai, la magnétite, avait des propriétés magnétiques, c’est-à-dire qu’il pouvait attirer de petits morceaux de fer (voir la figure 4.23).

Lorsqu’on approche deux substances l’une de l’autre, on ressent parfois une force invisible d’attraction ou de répulsion entre celles-ci. Ce sont des phénomènes magnétiques

Il est possible de classer les matériaux en trois catégories selon les propriétés qu’ils possèdent en lien avec le magnétisme : les substances magnétiques, ferromagnétiques ou non magnétiques (voir le tableau 14).

TABLEAU 14

Les substances magnétiques, ferromagnétiques ou non magnétiques

SUBSTANCE

DESCRIPTION

Magnétique

Substance qui a la capacité d’attirer ou de repousser d’autres substances magnétiques ou ferromagnétiques

Aimant naturel (magnétite), aimant permanent (ex. : néodyme)

Ferromagnétique

Substance qui a la capacité d’acquérir des propriétés magnétiques (temporaires ou permanentes) si elle est soumise à un champ magnétique extérieur

Fer, nickel, cobalt, gadolinium ou alliages contenant ces métaux

Non magnétique

Substance qui ne subit aucune influence d’un aimant

EXEMPLES

Les atomes des substances magnétiques et ferromagnétiques ont tendance à former de minuscules régions appelées domaines magnétiques où le mouvement des électrons est orienté dans la même direction.

Les charges électriques n’interagissent donc pas seulement avec la force électrique. Lorsqu’elles sont en mouvement, elles peuvent subir et exercer à la fois une force électrique et une force magnétique. Leur déplacement engendre un champ magnétique

DÉFINITION

Champ magnétique : Région de l’espace influencée par le déplacement des charges électriques.

Si la substance n’est pas magnétisée, par exemple un morceau de fer, la direction de ce mouvement est aléatoire d’un domaine à l’autre. À grande échelle, l’effet global est nul.

Bois, plastique, verre, aluminium, cuivre, etc.

FIGURE 4.23 La magnétite

Dans les substances magnétiques, par exemple les aimants, les domaines ont tendance à s’aligner dans la même direction (voir la figure 4.24). Plus les domaines sont alignés, plus l’aimant est puissant.

Substance non magnétisée

Substance magnétisée

Les aimants produisent un champ magnétique qui s’observe grâce à son action sur certains matériaux ferromagnétiques ou sur d’autres aimants. Les aimants possèdent tous deux pôles : le pôle nord et le pôle sud. De la même façon que les charges électriques, deux pôles différents s’attirent, tandis que deux pôles identiques se repoussent : c’est la loi des pôles magnétiques (voir la figure 4.25).

Attraction Répulsion Répulsion

On représente les champs magnétiques à l’aide de lignes de champ magnétique

On peut observer ces lignes de champ en laboratoire en déposant de la limaille de fer près d’un aimant. Les grains de fer s’alignent parallèlement aux lignes de champ magnétique et révèlent la forme et l’intensité du champ magnétique qui entoure l’aimant (voir la figure 4.26). Chacun des grains de fer devient temporairement un petit aimant lorsqu’il est soumis au champ magnétique d’un aimant.

entourent des aimants.

FIGURE 4.25

La loi des pôles magnétiques

FIGURE 4.26 La limaille de fer permet de visualiser les lignes de champ magnétique qui

FIGURE 4.24 Les domaines magnétiques

Comme la limaille de fer, la boussole permet de déterminer la direction des lignes de champ magnétique qui entourent un aimant, mais elle permet également d’en connaitre le sens. Puisque la boussole est un petit aimant très léger, elle est libre de tourner et de s’aligner sur les lignes d’un champ magnétique qui passe en un point précis.

Ainsi, si on se déplace en suivant la direction pointée par le pôle nord de la boussole, on arrive au pôle sud, quel que soit le point de départ (voir la figure 4.27). Par convention, on oriente les lignes de champ de façon qu’elles sortent du pôle nord de l’aimant et entrent par son pôle sud. De plus, elles ne peuvent jamais se croiser.

La Terre se comporte elle-même comme un gigantesque aimant et produit son propre champ magnétique (voir la figure 4.28). L’aiguille des boussoles s’oriente en fonction de ce champ magnétique. En suivant la direction pointée par le pôle nord de la boussole, on se dirige vers le pôle Nord géographique de la Terre. Puisqu’un pôle nord est attiré par un pôle sud, cela signifie que c’est à cet endroit que se trouve le pôle sud magnétique de notre planète. De la même façon, le pôle nord magnétique se trouve au pôle Sud géographique

FIGURE 4.27 L’orientation des lignes de champ magnétique qui entourent des aimants

FIGURE 4.28 Le champ magnétique terrestre

Pôle nord magnétique

Pôle sud magnétique

Pôle Nord géographique

Pôle Sud géographique

4.5.2 Le champ magnétique d’un fil conducteur

L’électricité et le magnétisme ont été étudiés séparément pendant des siècles. Ce n’est qu’au 19e siècle que la relation entre les phénomènes électriques et magnétiques a été établie. Aujourd’hui, nous savons qu’ils constituent une seule discipline : l’électromagnétisme

DÉFINITION

Électromagnétisme : Étude de l’ensemble des phénomènes liés à l’électricité et au magnétisme.

Nous avons vu précédemment que les charges électriques en mouvement engendrent un champ magnétique. Par conséquent, un courant électrique qui traverse un fil conducteur produit également un champ magnétique autour de ce fil (voir la figure 4.29). Comme pour les aimants, la limaille de fer permet de visualiser les lignes de champ magnétique du champ magnétique qui se forme autour d’un fil parcouru par un courant électrique (voir la figure 4.30). Celles-ci sont circulaires et centrées sur le fil. Plus l’intensité du courant est grande, plus l’intensité du champ magnétique augmente. Ainsi, lorsqu’on place une boussole à proximité du fil conducteur, si le courant est suffisamment grand, le pôle nord de la boussole se réoriente afin de suivre la direction des lignes du champ magnétique produit par le fil (voir la figure 4.31).

Si le courant s’arrête, le champ magnétique disparait et la boussole pointe de nouveau vers le nord géographique. Lorsqu’on inverse le courant, le champ magnétique est également inversé (voir la figure 4.32).

Le courant se dirige vers l’observateur. Le courant s’éloigne de l’observateur.

de déterminer le sens des lignes de champ magnétique qui entourent un fil conducteur.

FIGURE 4.29 Un champ magnétique généré par un courant électrique traversant un fil droit

FIGURE 4.30 La limaille de fer permet de visualiser les lignes de champ magnétique qui entourent un fil conducteur.

FIGURE 4.31 Le pôle nord de ces boussoles montre la direction du champ magnétique qui entoure ce fil conducteur.

FIGURE 4.32 Ces boussoles permettent

Pour déterminer la direction des lignes de champ magnétique engendré par un courant électrique qui circule dans un fil droit, on peut utiliser la première règle de la main droite (voir la figure 4.33).

Les doigts qui s’enroulent autour du fil indiquent le sens du champ magnétique.

Le pouce pointe dans le sens du courant conventionnel (1 vers le ).

4.5.3 Le champ magnétique d’un solénoïde STE

On peut intensifier le champ magnétique produit par un courant électrique en enroulant un fil conducteur autour d’une forme cylindrique. On appelle solénoïde la bobine ainsi obtenue.

La forme du champ magnétique produit par un solénoïde rappelle celle du champ magnétique de l’aimant (voir la figure 4.34). On peut d’ailleurs lui attribuer un pôle nord (d’où sortent les lignes de champ magnétique) et un pôle sud (où elles entrent).

Les lignes de champ magnétique d’un solénoïde sont visibles grâce à la limaille de fer.

La forme du champ magnétique d’un solénoïde ressemble à celui d’un aimant droit.

FIGURE 4.33

La première règle de la main droite

FIGURE 4.34

Le champ magnétique qui entoure un solénoïde

Comme pour le fil rectiligne, la direction du champ magnétique dépend du sens du courant qui traverse le solénoïde. On détermine le sens du courant à l’aide de la deuxième règle de la main droite (voir la figure 4.35).

Noyau

ferromagnétique

(fer, nickel, cobalt, etc.) S N

Le pouce pointe le nord du solénoïde.

Les doigts qui s’enroulent autour du solénoïde indiquent le sens conventionnel du courant.

L’intensité du champ magnétique qui entoure un solénoïde est principalement influencé par les trois facteurs décrits dans le tableau 15 :

TABLEAU 15 Les facteurs qui influencent l’intensité du champ magnétique d’un solénoïde

FACTEUR INFLUENCE

Densité des spires (boucles)

Intensité du courant

Présence d’un noyau

Plus la densité des spires ou leur nombre est grand, plus le champ magnétique est intense.

Plus l’intensité du courant est grande, plus le champ magnétique est intense.

L’ajout d’un noyau ferromagnétique à l’intérieur du solénoïde forme ce qu’on appelle un électroaimant. Le noyau se magnétise et augmente ainsi l’intensité du champ magnétique (voir la figure 4.36).

À la différence des aimants, les solénoïdes peuvent être allumés ou éteints selon qu’on y fait passer ou non du courant. De plus, on peut contrôler l’intensité de leur champ magnétique en faisant varier les différents facteurs qui l’influencent.

Par exemple, l’électroaimant d’une grue est suffisamment fort pour soulever des objets lourds, qui sont ensuite libérés lorsque le courant est interrompu.

L’ÉLECTROAIMANT MÉLOMANE

Les applications des électroaimants sont nombreuses. On les retrouve même dans les haut-parleurs !

Le courant traversant l’électroaimant d’un haut-parleur possède une forme variable qui suit la musique jouée. Le champ magnétique produit varie donc lui aussi dans le temps : il change d’intensité et d’orientation des centaines de fois par seconde.

La membrane du haut-parleur est reliée à un aimant permanent. Celui-ci est attiré et repoussé en alternance par l’électroaimant, entrainant la membrane avec lui. Ces vibrations de la membrane produisent dans l’air la musique qui était encodée dans le signal électrique initial. De tels électroaimants peuvent être miniaturisés. Les écouteurs fonctionnent sur le même principe.

FIGURE 4.36 Un électroaimant

FIGURE 4.35 La deuxième règle de la main droite

1 Une charge électrique produit un champ magnétique si elle est :

a) immobile ; b) en mouvement ; c) positive ; d) négative.

2 STE Quelle action ne permet pas d’augmenter l’intensité du champ magnétique d’un solénoïde ?

a) Augmenter le courant traversant le solénoïde

b) Ajouter des boucles au solénoïde

c) Ajouter un noyau ferromagnétique à l’intérieur du solénoïde

d) Inverser le sens du courant traversant le solénoïde

3 Indiquez si chacun des objets suivants est fabriqué à l’aide d’une substance magnétique (M), ferromagnétique (F) ou non magnétique (N).

a) Une pièce de 5 cents (Ni)

c) Une bague en or (Au)

e) Une planche de bois

4 STE Quel électroaimant est le plus puissant ?

b) L’aiguille d’une boussole

d) Un clou en acier

f) Un morceau de magnétite

a) Un électroaimant dont le noyau est en cuivre, qui comporte 100 spires et qui est parcouru par un courant de 5 A

b) Un électroaimant dont le noyau est en cuivre, qui comporte 200 spires et qui est parcouru par un courant de 10 A

c) Un électroaimant dont le noyau est en fer, qui comporte 100 spires et qui est parcouru par un courant de 5 A

d) Un électroaimant dont le noyau est en fer, qui comporte 200 spires et qui est parcouru par un courant de 10 A

5 Six aimants en forme d’anneau sont placés sur un socle en plastique. La moitié supérieure de chaque aimant possède un pôle, tandis que la moitié inférieure possède l’autre pôle. Lorsqu’on approche une boussole de la surface supérieure de l’anneau orange, le nord de la boussole est repoussé par cette surface. Quel est le pôle de la surface supérieure de l’anneau rouge ? Expliquez votre réponse.

6 Expliquez dans vos mots le fonctionnement d’une boussole lorsqu’elle est utilisée comme instrument d’orientation.

7 D’après l’alignement de la limaille et l’orientation des boussoles autour des aimants ci-dessous, indiquez où se trouvent le pôle nord et le pôle sud de chaque aimant.

a) b)

8 Nommez une circonstance dans laquelle une boussole n’indique pas correctement le nord.

9 Dans les schémas suivants, tracez les lignes de champ magnétique qui entourent l’aimant ou les aimants représentés, puis dessinez dans chacun des cercles l’orientation qu’aurait une boussole placée à cet endroit.

a) b)

c) d)

10 Sur chacune des feuilles, tracez les lignes de champ magnétique entourant les fils droits, puis dessinez dans chacun des cercles l’orientation qu’aurait une boussole placée à cet endroit. a)

b)

c) d)

11 STE Tracez les lignes de champ magnétique qui entourent les solénoïdes suivants, puis déterminez où sont les pôles nord (N) et sud (S) de ceux-ci.

a) b)

12 STE Indiquez le sens conventionnel du courant dans chacune des situations suivantes. a) b)

13 STE Dans chaque cas :

1) dessinez les lignes de champ magnétique qui entourent le solénoïde ;

2) déterminez s’il y aura attraction ou répulsion entre les deux éléments. a) 1) b) 1) 2) 2)

Les phénomènes électriques

• La charge électrique (q) est la propriété qui permet à une particule d’exercer ou de subir des forces électriques Elle se mesure en coulombs (C). Il existe deux types de charges électriques : positive et négative.

• Les charges de même signe se repoussent et les charges de signes opposés s’attirent.

• L’électricité statique est l’ensemble des phénomènes liés aux charges électriques au repos.

• Électriser un objet signifie lui donner une charge électrique nette. Cela peut se produire de trois façons différentes : ÉLECTRISATION PAR FROTTEMENT PAR CONDUCTION PAR INDUCTION

Avant Les deux objets sont non chargés. Un objet est chargé et un objet est non chargé.

Un objet est chargé et un objet est non chargé.

Pendant Lorsqu’on frotte ces deux objets l’un contre l’autre, certains électrons sont transférés d’un objet à l’autre, selon la liste électrostatique.

Après

Les deux objets sont de charges opposées.

Lorsqu’on met les deux objets en contact, la charge de l’objet chargé est partagée entre les deux objets.

Les deux objets sont de même charge.

Lorsqu’on rapproche les deux objets, l’objet non chargé subit l’influence électrique de l’objet chargé.

Le premier objet reste chargé et le second est chargé partiellement et temporairement.

• STE Le champ électrique est l’influence électrique qu’exerce une charge sur son environnement.

• STE La loi de Coulomb permet de déterminer la grandeur de la force électrique F qui s’exerce entre deux charges q1 et q2 selon la distance r qui les sépare :

Les circuits électriques

• Un circuit électrique est un ensemble de composants conducteurs d’électricité à travers lesquels des charges électriques peuvent se déplacer et effectuer une boucle fermée.

• On schématise les circuits électriques à l’aide de symboles normalisés :

• Il existe des circuits électriques en série et des circuits en parallèle :

CIRCUIT EN SÉRIE

CIRCUIT EN PARALLÈLE 1

Deux ou plusieurs éléments sont reliés les uns à la suite des autres, offrant un seul trajet (boucle) au courant électrique.

Deux ou plusieurs éléments sont reliés à la source, offrant autant de trajets (boucles) au courant qu’il y a de composants.

• Le courant électrique est le déplacement de charges électriques dans un circuit.

• L’intensité du courant électrique (I ) représente la quantité de charges q qui traversent un point du circuit par intervalle Dt de 1 s. Elle se mesure à l’aide d’un ampèremètre branché en série et s’exprime en ampères (A) : 1 A 5 1 C/s.

• Il existe deux types de courants électriques :

– Le courant continu (CC), dont la valeur ne varie pas dans le temps et qui circule toujours dans la même direction.

– Le courant alternatif (CA), dont la valeur varie périodiquement et qui circule en alternance dans un sens et dans l’autre.

• La différence de potentiel (U) est la variation d’énergie E par unité de charge q entre deux points d’un circuit électrique. Elle se mesure à l’aide d’un voltmètre branché en parallèle et s’exprime en volts (V) : 1 V 5 1 J/C.

• La résistance (R) est la propriété d’un matériau à s’opposer au passage du courant électrique. Elle se mesure en ohms (V)

L’analyse des circuits électriques

• On détermine la résistance d’un élément de circuit à l’aide du rapport entre la différence de potentiel (U ) qui y est appliquée et l’intensité du courant ( I ) qui le traverse. On appelle cette relation la loi d’Ohm

• STE Les lois de Kirchhoff permettent d’analyser les circuits électriques ; ce sont la loi des boucles et la loi des nœuds

• STE On peut remplacer toutes les résistances d’un circuit par une seule résistance équivalente (Réq)

La puissance et l’énergie électriques

• La puissance électrique (P ) est la quantité d’énergie E transformée par un appareil électrique par unité de temps Dt. Elle se mesure en watts (W)

• Elle peut également se calculer ainsi :

P 5 U 3 I

Les phénomènes électromagnétiques

• Le champ magnétique est une région de l’espace influencée par le déplacement des charges électriques.

• Les matériaux peuvent être classés en trois catégories : magnétiques, ferromagnétiques (fer, nickel, cobalt) et non magnétiques

• La loi des pôles magnétiques stipule que des pôles identiques se repoussent, tandis que des pôles différents s’attirent.

• Le champ magnétique qui entoure un aimant forme des boucles qui sortent du pôle nord et entrent par son pôle sud. La boussole est un petit aimant qui s’aligne dans le sens des lignes de champ magnétique.

• L’électromagnétisme est l’étude de l’ensemble des phénomènes liés à l’électricité et au magnétisme.

• L’orientation du champ magnétique qui entoure un fil droit ou un solénoïde STE peut être déterminée à l’aide des deux règles de la main droite.

PREMIÈRE RÈGLE DE LA MAIN DROITE DEUXIÈME RÈGLE DE LA MAIN DROITE STE

Pouce : Pointe dans le sens conventionnel du courant

Autres doigts : S’enroulent selon le sens du champ magnétique

Pouce : Pointe le nord du solénoïde

Autres doigts : S’enroulent selon le sens conventionnel du courant

• Augmenter l’intensité du courant dans un fil droit ou dans un solénoïde STE permet d’augmenter l’intensité du champ magnétique. Si on inverse le courant, le champ magnétique change également de direction.

• STE Augmenter le nombre de spires (boucles) d’un solénoïde permet également d’augmenter l’intensité du champ magnétique.

• STE Ajouter un noyau ferromagnétique à l’intérieur d’un solénoïde permet d’obtenir un électroaimant. Le noyau amplifie l’intensité du champ magnétique du solénoïde.

QUESTIONS À CHOIX MULTIPLE

1 On frotte une tige de verre avec une étoffe de coton. On touche ensuite un bloc de cuivre avec la tige de verre. Déterminez la charge de chacun des objets à l’aide de la liste électrostatique, à la page 147.

a) La tige de verre est positive, l’étoffe de coton est négative et le cuivre est positif.

b) La tige de verre est positive, l’étoffe de coton est négative et le cuivre est négatif.

c) La tige de verre est négative, l’étoffe de coton est positive et le cuivre est positif.

d) La tige de verre est négative, l’étoffe de coton est positive et le cuivre est négatif.

2 STE Une charge q1 5 2 3 10 6 C se trouve à proximité d’une charge q2 5 4 3 10 6 C. Si la charge q1 subit une force électrique de 0,04 N, quelle est la force subie par la charge q2 ?

a) 0,08 N

c) 0,02 N

b) 0,08 N

d) 0,04 N

3 On remplace la pile de ce circuit par une pile ayant une différence de potentiel plus élevée. Laquelle des affirmations suivantes est vraie ?

a) Le courant qui traverse le résistor diminue.

b) Le courant qui traverse le résistor augmente.

c) La résistance diminue.

d) La résistance augmente.

4 Que doit-il se produire pour qu’un corps puisse acquérir une charge positive ?

a) On doit lui transférer des électrons.

c) On doit lui transférer des protons.

b) On doit lui retirer des électrons.

d) On doit lui retirer des protons.

5 Quelle est la résistance d’une ampoule branchée à une source de 24 V et traversée par un courant de 2 A ?

a) 0,08 V

c) 26 V

6 Quel fil a la plus petite résistance ?

b) 12 V

d) 48 V

QUESTIONS À RÉPONSE COURTE

7 STE Pour chacune des paires de charges électriques :

1) tracez les lignes de champ électrique qui entourent les charges ;

2) déterminez si les charges s’attirent ou se repoussent.

1 1

8 Dans chaque cas :

1) représentez le circuit électrique à l’aide des symboles normalisés ;

2) indiquez si le circuit est en série ou en parallèle.

9 Dans le circuit ci-contre, dessinez le branchement de l’appareil qui permet de mesurer :

1) l’intensité du courant dans le résistor de 1 V ; 2) la différence de potentiel aux bornes de la pile.

2) 2) 4 V 1 V 1

V

10 Indiquez le symbole et l’unité de mesure du système international d’unités (SI) des grandeurs physiques suivantes.

GRANDEURSYMBOLEUNITÉ DU SIGRANDEURSYMBOLEUNITÉ DU SI

Charge électrique

Différence de potentiel

Puissance

Intensité du courant électrique

Résistance

11 Déterminez les pôles de chacun des aimants représentés et tracez les lignes de champ magnétique qui les entourent.

12 Tracez les lignes de champ magnétique qui entourent les fils droits suivants.

a) b)

Énergie a) b) I

1

13 STE Dans chaque cas, tracez les lignes de champ magnétique qui entourent les solénoïdes, puis indiquez le sens conventionnel du courant. N S

a) b)

14 STE À l’aide des lois de Kirchhoff, déduisez les mesures manquantes dans les circuits suivants.

a) b)

QUESTIONS À DÉVELOPPEMENT

15 On frotte l’un contre l’autre deux objets de matériaux différents. Expliquez pourquoi les charges obtenues par chacun doivent être de même grandeur, mais de signes opposés.

16 STE Une charge q1 5 6 3 10 6 C subit une force d’attraction F 5 0,054 N provenant d’une charge q2 située à une distance de 2 m.

a) Quelle est la valeur de la charge q2 ?

RÉPONSE :

b) On déplace ces deux charges q1 et q2 à 30 cm l’une de l’autre. Que devient la grandeur de la force électrique ?

RÉPONSE :

17 Un grille-pain est branché sur une prise qui lui fournit un courant de 15 A. Après combien de temps le grille-pain aura-t-il reçu une charge de 2700 C ?

RÉPONSE :

18 Un réfrigérateur est branché sur une prise de 240 V et reçoit 216 000 J d’énergie électrique. Quelle quantité de charges reçoit-il ?

RÉPONSE :

19 Quelle est la différence de potentiel dans un appareil électrique si l’énergie transmise par 15 C est de 3600 J ?

RÉPONSE :

20 Un résistor de 2 V est relié à une pile de 10 V pendant 45 s.

a) Quelle est la puissance de ce résistor ?

RÉPONSE :

b) Quelle quantité d’énergie (en J) ce résistor transforme-t-il durant cet intervalle de temps ?

RÉPONSE :

21 STE À l’aide des informations fournies dans les schémas électriques ci-dessous, déterminez les valeurs manquantes de résistance, de différence de potentiel et d’intensité du courant.

a) b)

22 Un moteur de 250 W fonctionne pendant 1 h 30. Quelle quantité d’énergie reçoit le moteur durant cette période :

a) en kilowattheures ?

RÉPONSE :

b) en joules ?

RÉPONSE :

23 Une source de tension de 20 V fournit un courant de 12 A à un moteur. Après 2 minutes, le moteur a effectué un travail utile de 12 000 J. Quel est le rendement énergétique de ce moteur ?

RÉPONSE :

24 STE Un solénoïde alimenté par un courant est placé à proximité d’un aimant, comme le montre la figure ci-dessous. Le solénoïde et l’aimant exercent-ils l’un sur l’autre une force d’attraction ou une force de répulsion ? Justifiez votre réponse.

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