QUANTITÉ D'ÉLECTRICITÉ
Nul ne doute de l'importance qu’a prise l'électricité dans notre vie quotidienne. Bien avant pouvoir expliquer ce qu'est l'électricité, les hommes ont observé ses manifestations naturelles, foudre, aurores polaires, attraction de l’ambre sur des corps légers...
Les premières expériences d’électricité statique furent effectuées au 18ème siècle. La première pile a été construite par Volta au début du 19ème siècle. On a alors observé les premiers effets du courant électrique, sans en connaître l’origine.
L'effet calorifique par la production de chaleur.
L'effet chimique : on a montré que certains liquides sont conducteurs du courant électrique et qu'il produit des transformations chimiques lors de son passage dans ce liquide.
L'effet magnétique : une bobine de fil conducteur, traversée par un courant se comporte comme un aimant et réciproquement un aimant déplacé devant un enroulement de fil conducteur y induit un courant électrique. Ampère, Faraday découvrent ainsi les lois de électromagnétisme, le principe du moteur et de l'alternateur.
Maxwell construit la théorie des ondes électromagnétiques dans la deuxième partie du XIXème siècle, ouvrant ainsi l’ère des télécommunications.
1°) La matière
Toute la matière qui nous entoure est formée à partir d'atomes.
Dans un métal, les atomes sont rangés en formant des édifices bien ordonnés appelés cristaux. Tous les atomes d’un même métal pur sont identiques. Les atomes de 2 métaux différents sont différents. On dénombre dans la nature une centaine de types d'atomes différents.
a)Taille des atomes.
Les atomes sont minuscules. Leur taille varie entre 1 et 5 dix- milliardièmes de mètre.
b)Constitution d'un atome.
Un atome est forme d'un noyau central (lui même formé de différentes particules, protons, neutrons etc..) autour duquel gravitent des particules minuscules, toutes identiques appelées électrons. Les électrons sont organisés en couches autour du noyau.
La figure ci-dessous montre une (des)représentation(s) très simplifiée d'un atome.
Un noyau central autour duquel gravitent des électrons.
L'atome d'hydrogène (le plus simple), n'a qu'un seul électron, l'atome de carbone en a 6 et l'atome de cuivre en comporte 29.
c)Électricité et atomes
Un électron est un grain élémentaire d’électricité négative.
Le noyau, lui, possède autant de grains d'électricité positive (les protons) que d'électrons tournant autour du noyau.
La charge globale d’un atome est nulle. Il possède autant de charges positives que de charges négatives
d) Effet mutuel des charges électriques.
Deux charges de même signe se repoussent.
Deux charges de signe contraire s’attirent.
e) Électrons libres dans les métaux.
Dans les métaux, les électrons situés à la périphérie des atomes sont peu liés au noyau. Ils passent ainsi de manière incessante d’un atome à l'autre, et dans toutes les directions. Ce sont des électrons libres
Ils peuvent se déplacer, et si on les oblige à se déplacer tous dans le même sens (avec une pile par exemple), un courant électrique va circuler dans le circuit (c’est un courant d’électrons).
Remarque : dans le verre, par exemple, les électrons sont très liés aux
Le verre par exemple est un isolant car il ne possède pas d’électrons libres.
2) Nature et sens du courant électrique
a) Les bornes d’une pile
Schéma d’un élément d’une pile LES 2 bornes d’une pile sont différentes :
-La borne - présente un excès d'électrons. Elle possède une charge négative.
-La borne + présente un manque d'é1ectrons, (ceux qui sont en trop à la borne elle possède une charge positive,
b) un circuit électrique
Le M symbolise un moteur
Le circuit ci-dessus est simple, il comporte une pile, un interrupteur, un moteur et des fils conducteurs.
Les électrons libres vont donc se diriger de la borne - du générateur vers la borne + ; historiquement, l’existence des électrons n’étant pas connue quand on a découvert les effets du courant électrique, il a fallu choisir arbitrairement son sens. C’est l’autre sens qui avait été choisi ! Malgré tout on la conservé ce sens arbitraire :
Le courant électrique se dirige à l'extérieur du générateur de la borne + vers la borne – (c’est le sens conventionnel)
La pile délivre un courant continu (DC : direct current), qui va toujours dans le même sens. A la maison, le courant du secteur est alternatif (AC : alternative current), il va dans un sens, puis dans l’autre et cela 50 fois par seconde ! C’est du 50 hertz.
3°) Quantité d’électricité.
On appelle quantité d'électricité (notée Q) le nombre total d'électrons passant dans une section de conducteur pendant une durée donnée.
Un électron est une charge élémentaire d’électricité. Sa charge est est 1,6x10-19 coulombs (C).
Le coulomb est l'unité de quantité d'électricité.
Le millicoulomb (mC) est le millième de coulomb Le microcoulomb (µC) est le millionième de coulomb
1C = 1 000 mC = 1 000 000 µ
C
Pour mieux comprendre, faisons une analogie avec l’eau :
Un barrage contient une certaine quantité d’eau.
Une pile(une batterie) contient une certaine quantité d’électricité Si on vide le barrage avec un tuyau, il y aura une circulation d’eau dans le tuyau (qui à terme va vider le barrage).
Si on réalise un circuit électrique, une certaine quantité d’électricité va passer dans le circuit qui a terme va vider la pile.
Si le tuyau du barrage est gros, le courant dans le tuyau sera
« intense » et le barrage va se vider vite
Si le circuit oppose une faible résistance au passage du courant, son intensité sera forte et la pile se videra rapidement.
Une pile, une batterie contiennent une certaine quantité d’électricité. Elle se videra plus ou moins rapidement en fonction de l’intensité du courant demandée par le circuit.
4°) Intensité du courant électrique
L’intensité d’un courant dans un conducteur correspond à la quantité d’électricité qui traverse une section de ce conducteur en une seconde Pour mieux comprendre, faisons une analogie avec l’eau :
Un récipient contient une certaine quantité d’eau. Celle-ci s’écoule dans un tuyau. On peut mesurer la quantité d’eau qui passe chaque seconde en un point du tuyau, c’est le débit de l’eau (qui correspond à l’intensité pour un courant électrique).
L’unité de mesure d'intensité est l'ampère (symbole A). Pour la mesurer on utilise un ampèremètre. L’ampèremètre doit être traversé par le courant, il faut le placer en série dans le circuit.
Ce circuit électrique comprend : un générateur : la pile un récepteur : la lampe un interrupteur
un appareil de mesure : l’ampèremètre qui est placé en série dans le circuit (il doit être traversé par le courant pour mesurer son intensité.
ampèremètre
lampe interrupteur
pile
Il faut le circuit soit fermé pour que le courant électrique traverse l’ampèremètre.
Unités dérivées:
le milliampère (symbole mA) 1 A = 1000 mA le microampère (symbole mA) 1A = 1 000 000 µA
5°) Des calculs
La seule formule à connaître est :
Q = It
avec Q en coulombs (C)
I en ampères (A) t en secondes.
It signifie I fois t
Observons le triangle
Je veux calculer Q, connaissant I et t, je cache Q avec mon doigt et je lis « It » (il faut multiplier I par t)
Je veux calculer I, connaissant Q et t, je cache I avec mon doigt et je lis « Q sur t » il faut diviser Q par t)
Je veux calculer t, connaissant I et Q, je cache t avec mon doigt et je lis « Q sur I » t (il faut diviser Q par I)
Par exemple :
1 - Calculer la quantité d’électricité correspondant à une intensité de 5 A pendant 10s
Q = It = 5 x 10 = 50C
2 - Calculer la quantité d’électricité correspondant à une intensité de 500mA pendant 3 mn
Attention aux unités ! 500mA = 0,5A
3 mn = 180s
Q = It = 0,5 x 180 = 90C 3 – Q = 50C et t = 5s calculer I I = Q divisé par t
I = 50 : 5 10A
Q
I t
Q en Ampère-heure (symbole Ah) si 1 en Ampères (A) et t en heures (h)
Une batterie a une capacité de 180Ah. Pendant combien de temps peut-elle délivrer un courant de 3A
t = Q divisé par I
t = 180 : 3 = 60 heures
(c’est pour cela qu’il faut recharger les batteries)
Exercices : a) Calculer la quantité d électricité correspondant - à une intensité de 5 A pendant 30 s Q = …...C
- à une intensité de 3,5 A pendant 3mn Q = …...C - à une intensité de 0,5 A pendant 1h Q = …...C - à une intensité de 500 mA pendant 40 s Q = …...C - à une intensité de 3,5A pendant 3h Q = …...C b) Compléter le tableau suivant :
Q I t
5 C 2 A
30 C 0,5 A
300 mC 20 mA
70 Ah A 5h
45 C A 7 mn 30 s
720 C mA 1 h
c) Une batterie de 60 Ah débite dans une lampe traversé par une intensité de 3A, pendant combien de temps ?
Correction :
formule 1 : Q = I x t
formule 2 : t = Q : I ou t = Q / I formule 3 : I = Q : t ou I = Q /t
Le numéro de la formule utilisée est indiqué à la fin de chaque calcul a) Calculer la quantité d électricité correspondant
- à une intensité de 5 A pendant 30 s Q = 150 C (1) - à une intensité de 3,5 A pendant 3 mn Q = 630 C (1) - à une intensité de 0,5 A pendant 1h Q = 1800 C (1) - à une intensité de 500 mA pendant 40 s Q = 20 C (1) - à une intensité de 3,5A pendant 3h Q = 10,5 Ah (1)
Q I t formule
5 C 2 A 2,5 s 3
30 C 0,5 A 60 s 3
300 mC 20 mA 15 s 3
70 Ah 14 A 5h 2
45 C 0,1A = 100 mA 7 mn 30 s 2
720 C 0,2A = 200 mA 1 h 2
c) Une batterie de 60 Ah débite dans une lampe traversé par une intensité de 3A, pendant combien de temps ?
Je connais Q =60 Ah et I = 3A , j’utilise la formule 2 t = Q/I donc t = 60 / 3 = 20
Elle va fonctionner pendant 20 heures.
