Aspects énergétiques des phénomènes électriques

Thème = L’énergie : conversion et transfert Sous-thème = Aspects énergétiques des phénomènes électriques

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1ère Spé

Chapitre 10 : Aspects énergétiques des phénomènes électriques

Les appareils fonctionnant à l’électricité font partie de notre quotidien, à tel point que les notions associées nous semblent familières : l’intensité et la tension (lorsqu’on doit faire attention à acheter la bonne ampoule par exemple), la puissance (lorsqu’on utilise le four à micro-ondes) ou encore l’énergie (lorsqu’on regarde le compteur électrique). On dit qu’il faut économiser l’énergie électrique : est-ce possible ? Toutes ces notions paraissent également abstraites ! D’où vient l’électricité ? Qu’est-ce qu’une intensité ? Comment définir l’énergie ? Voici quelques unes des questions auquel ce chapitre a pour but de répondre.

I-        Grandeurs physiques usuelles en électricité

Le but de cette première partie est de lister les diverses grandeurs physiques qui permettent de « décrire l’électricité » et les appareils l’utilisant.

1. Charge électrique et porteurs de charges

Le courant électrique correspond à un déplacement de particules électriquement chargées lorsqu’elles sont soumises à une différence de potentiel électrique. Ces particules sont appelées porteurs de charge et peuvent être :

• Les électrons dans un solide (exemple : un métal) ;

• Les ions dans une solution.

Ces particules ont toutes une charge électrique, notée q , qui s’exprime en coulombs (C) et qui est toujours un multiple entier de la charge électrique élémentaire, e (avec e = 1,6 · 10-19 C) :

=        ∙        ,

où N est appelé le nombre de charges.

Remarques :

• Une différence de potentiel (électrique) correspond à une différence de charges électriques. Un générateur ou une pile est chargé positivement d’un côté et négativement de l’autre : les électrons excédentaires du côté ⊝ du générateur sont repoussés par cette borne ⊝ et attirés par la borne ⊕, donc ils se déplacent du ⊕ vers le

⊝.

• Lorsqu’une solution contenant des ions est intercalée dans un circuit électrique, les anions, chargés négativement, se déplacent dans la solution vers le côté de la borne ⊕ alors que les cations, chargés positivement, se déplacent dans la solution vers le côté de la borne ⊝.

• Par convention, le sens du courant est défini du ⊕ vers le ⊝.

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 EXERCICE D’APPLICATION :

Pour chaque porteur de charge ci-dessous, calculer sa charge électrique ET indiquer s’il se déplace dans le même sens que le courant ou en sens contraire :

1. les électrons : q = - 1,6 x 10 -19 C ; sens contraire

1. un ion Cl- : q = - 1,6 x 10 -19 C ; sens contraire

1. un ion K+ : q = + 1,6 x 10 -19 C ; même sens

1. un ion O2- : q = - 3,2 x 10 -19 C ; sens contraire

1. un ion Cu2+ : q = + 3,2 x 10 -19 C ; même sens

1. une molécule d’eau : non chargée, elle ne bouge pas !

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1ère Spé

1. Intensité électrique

L’intensité électrique correspond au débit de charge à travers une section du circuit électrique. En courant continu, on peut donc définir l’intensité électrique (en ampères, A) en un point du circuit comme le rapport de la quantité de charge électrique totale Q (en Coulombs, C) qui traverse la section correspondante pendant la durée Δt (en secondes, s) :

=

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∆  

On peut établir une analogie entre le courant électrique avec l'écoulement de l'eau. Dans ce cas, l'intensité électrique correspondrait au débit du courant.

Représentation schématique d’une portion de fil électrique parcouru par un courant électrique :

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L’intensité électrique est donc liée, entre autres, à la vitesse de déplacement des porteurs de charges.

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