Eric Montigy chapitre 1

Eric

Description

Eric Montigy chapitre 1

Sujets

• Radioamateur

Informations

• Publié par: Dundee33
• Publié le: 14 novembre 2017
• Nombre de lectures: 11
• Langue: Français

Extrait

MONTIGNY Eric

Chapitre 1 Electricité, électromagnétisme, radioélectricité

MONTIGNY Eric

Fiche 1 : Généralités sur l’électrocinétique 1.Généralités sur la matière Avant de chercher à comprendre l’électricité, essayons de nous intéresser à ce qui se passe dans le monde infiniment petit : le monde macroscopique. a)Approche empirique La matière est par définition tous ce qui est localisable, et possède une masse. Il y a plus de 2000 ans, en Grèce antique, les philosophes pensaient que la matière pouvait être répartie en quatre éléments : la terre, l’eau, l’air, le feu. Ils donnaient une place à chaque élément : la terre se trouvant au niveau du sol, et l’air et l’eau se situant au dessus de la terre, quand au feu, il se trouvait au-dessus les trois premiers éléments. Par suite, vers 400 avant JC, le penseur grecque Démocrite, affirmait que la matière fusse formé de paquets de petites particules, avec entre eux, de l’espace vide. Les théories de notre siècle vont venir soutenir cette thèse.

Etant donné que l’on considérait que ces paquets de particules étaient les éléments de base de la matière, et il n’est donc pas possible de les diviser. Partant de ce constat, on appela ces éléments indivisibles : les atomes (cela signifiant – indivisible – en grecque). Puis cette vision de la matière restera oublié durant plusieurs siècles… La théorie sur les quatre éléments va rester d’actualité jusqu’au 17° siècle, et elle sera même améliorer, par la supposition de l’existence d’un cinquième élément qui remplirait les cieux : l’éther… Le savant Irlandais Robert BOYLE, au 17° siècle, va reprendre l’idée des atomes, et va émettre l’hypothèse que ces atomes peuvent se combiner à d’autres pour former des composés.

b)Naissance de la théorie atomique Par suite, les expériences de l’anglais DALTON, et du français LAVOISIER, vont permettre d’aboutir à la naissance de la théorie atomique : «Tous les atomes d’un élément sont identiques ; les composés sont formés par la liaison d’un atome d’un élément avec un atome d’un autre élément». En 1803 ont avait découvert 20 éléments différents, et à la fin du 19° siècle, on en dénombrait 80. Jusqu’à cette époque on pensait que les atomes ne pouvaient pas être divisés, mais peu à peu cette idée sera remise en cause… C’est le physicien français PERRIN qui va apporter un élément de réponse en 1885, par le biais d’expériences qui vont mettre en évidence des particules beaucoup plus petites que l’atome, qui seront appelés électrons, car possédant une charge électrique. En 1911, RUTHERFORD mettra en évidence, par l’expérience, la présence d’un noyau très petit, très dense, et se trouvant au cœur de chaque atome. Puis, en 1919 il parviendra à désintégrer un atome : on avait donc la preuve que l’atome n’était pas indestructible. En désintégrant ce noyau, il aussi découvert une partie du contenue du noyau, à savoir les protons, qui sont des particules chargées électriquement, mais ayant une charge opposée à celle de l’atome. Chaque atome possédant autant de protons que d’électrons, ce dernier est électriquement neutre. Par suite, seront mis en évidence, les neutrons, constituants électriquement neutres du noyau.

MONTIGNY Eric

On est donc en présence du modèle suivant :

c)Pourquoi et comment les électrons, les protons et les neutrons se lient-ils pour former des atomes ? Les particules dans un atome réagissent les unes envers les autres afin de former une configuration stable. Et ce sont des forces qui lient ces différentes particules entre-elles. Ainsi les électrons étant chargés négativement sont 1 q.q 1 2 attirés par le noyau, lui, chargé positivement. La force d’attraction est de la forme F=. . 4. π . ε r² 0 d)Informations sur l’atome −19 Charge de l’électron e= −1.6021.10C Charge du proton −19 e= +1.6021.10C Charge du neutron Neutre Charge de l’atome Neutre −31 Masse de l’électron m=9.1091.10Kg e Masse du proton −27 m=1,6725.10Kg P Masse du neutron −27 m=1,6748.10Kg n Diamètre d’un atome −10 d≈10m e)Combien existe-t-il d’atomes différents dans la nature ? A ce jour, on connaît plus de 104 atomes différents, mais il existe plus de 1300 espèces distinctes d’atomes qui sont appelés les isotopes. Les atomes peuvent se combiner à d’autres atomes par le biais de liaisons, pour former des paquets d’atomes que l’on appelle les molécules. Le nombre de molécules qu’il existe est très grand, car chaque jours de nouvelles molécules sont crées, notamment dans le domaine médicale. Certaines molécules sont très simples (l’acide chlorhydrique est formé d’un atome d’hydrogène et d’un atome de chlore), et d’autres sont très compliqués (comme l’acide désoxyribonucléique (ADN), ou encore certains PVC). 28 51 A titre d’information, le corps humain est composé de plus de 10 atomes, et la Terre en contient plus de 10 … f)La matière : constitué principalement de vide… L’atome est constitué d’un noyau qui est très petit, et très dense, et les électrons sont eux aussi très petit, et ils se meuvent autour du noyau, mais très loin du noyau ! Si on considère que les gradins d’un stade de football représentent la position des électrons, le noyau serait représentait par une tête d’épingle située au centre de la pelouse ; le reste étant du vide. Cette analogie donne une idée assez explicite de la place inoccupée dans un atome. On peut donc dire que la matière est composée principalement de vide… et cela à plus de 99,9%... Evidement cet agrégat d’éléments (noyau et électrons) est en perpétuelle interaction, par le biais des forces, qui agissent à distance (la force électrostatique à une portée infinie), mais l’ensemble tend à être dans une configuration stable. g)Et à l’intérieur du noyau ? A l’intérieur du noyau, il y a des neutrons et des protons, et ces derniers sont liés par des forces, mais qui n’ont pas de caractère électrique. Dans la plupart des cas, le noyau est stable, c'est-à-dire que les protons et les neutrons sont liés ensemble. Si les protons et les neutrons se trouvent en disproportion les uns par rapport aux

MONTIGNY Eric

autres, le noyau est dit instable ; des protons ou des neutrons peuvent s’échapper ou se transformer l’un en l’autre : on parle alors d’éléments radioactifs. h)Conclusion sur la structure de la matière Nous sommes maintenant en possession d’une définition de la matière, et nous savons quels sont les trois constituants élémentaires d’un atome (électrons, protons, neutrons). Bien que nous ayons vu que la matière est constituée principalement de vide, il faut conceptualiser le fait que tout ce qui nous entoure est constitué d’atome, et à fortiori… de vide ! 2.Conducteur, semi-conducteur, isolant La conductibilité est l’aptitude que possède un matériau à conduire l’électricité. Il est de constatation courante que d’un corps solide à l’autre, on observe de très large variation de la conductibilité électrique. C’est ainsi qu’à température ambiante, le rapport entre la résistivité du meilleur isolant et de celle du meilleur conducteur, atteint 25 10 . Les processus responsables de la conductibilité sont d’ailleurs très variés, ainsi que les particules mises en cause : électrons libres pour les métaux, porteurs de charge (électrons et trous) issus du dopage d’un semi- conducteur, ions mobiles. Unconducteurest un matériau qui possède la faculté de ne pas opposer de résistance au passage d’un courant électrique (c’est le cas de l’or, de l’argent, du cuivre, de l’aluminium, par exemple). Unisolantest un matériau qui possède la faculté de s’opposer très fortement au passage d’un courant électrique (c’est le cas de la porcelaine, du verre, ou de l’air). Unsemi-conducteurest un matériau qui est isolant au zéro absolue (soit -256°C), mais a température ambiante à la faculté de moyennement bien conduire le courant électrique (c’est le cas du germanium, du silicium, de l’arséniure de gallium, etc). 3.Courant, tension et résistance Ces trois grandeurs sont les piliers de l’électronique. Il convient de comprendre la signification des termes, ainsi que leurs unités. a)Notion de courant électrique Considérons un matériau conducteur, auquel nous allons appliquer un champ électrique (le champ électrique va induire une force, qui va provoquer le déplacement des porteurs de charges libres) :

r E

r F

 e

r E

L’effet de la force électrique va être de déplacer les électrons (qui vont se déplacer à une vitesse très lente), mais le mouvement d’ensemble va se faire à la vitesse de la lumière (soit à plus de 300 000 km/h). Ainsi tous les électrons libres vont se déplacer ensemble à la vitesse de la lumière : c’est ce phénomène que l’on appel le courant électrique.

r E

r E

Continuons notre raisonnement, et venons-en à un point sujet à confusions : le sens réelle du courant, et le sens conventionnel du courant. La phénoménologie du courant électrique fût découverte par Ampère, et ce dernier attribua un sens au courant, c’est le sens conventionnel. Or par suite, des découvertes ont été faites en matière d’éléctricité, et l’on se rendit compte que les électrons ne se déplaçaient pas dans le sens choisie par Ampère…

MONTIGNY Eric

Afin de lever l’ambiguïté, le plus simple est de considérer un dessin : r Le champ E est dirigé dans le sens des potentiels décroissants (on va du potentiel (+) vers le potentiel (-), il y a donc une décroissance). rr EE

+

+

-

-

F r Pour les électrons, la force F est dirigée dans le sens des potentiels croissants (on part du (-) pour aller vers le (+)). r r E F E F F + F - F F

+

-

U On vient donc de démontrer que les électrons se déplacent du (-) vers le (+) : il s’agit là du sens réelle de déplacement des électrons ! Afin de formaliser cette idée, je vous recommande de retenir le schéma suivant :

E

+

-

R

Sens conventionnel du courant.

E

+

-

R

Sens réel de déplacement des électrons.

On retiendra que le courant électrique correspond à un déplacement ordonné des électrons au sein d’un matériau.

MONTIGNY Eric

b)Notion de tension électrique Le concept de ‘tension électrique’ est relativement complexe à expliciter clairement. En effet nous pourrions user d’une démonstration (à l’aide du modèle classique de Drude par exemple), mais cela ne nous permettrait pas de comprendre intuitivement ce qu’est la tension électrique. Ainsi, je vous propose que l’on fasse une analogie à l’hydraulique, afin de faire le parallèle entre l’eau et l’éléctricité. Nous avons aussi évoqué que pour qu’il y est déplacement des électrons, il fallait qu’il y est une force qui créer ce déplacement. Cette force, c’est la tension électrique. Pour comprendre, nous allons poursuivre notre analogie à l’hydraulique, en considérant cette foi, un tuyau avec une bille à l’intérieur :

Un tuyau Une bille Si le système est parfaitement à l’horizontal, la bille va rester dans le tuyau à sa position initiale, et ne va pas en bouger. Supposons maintenant que l’on veuille que la bille bouge dans le tuyau, il va falloir incliner ce dernier :

B h A En inclinant ce tuyau, nous avons modifié l’altitude de l’un des points (nous avons montés le point B, d’une hauteur h), on a donc créer une différence d’altitude (les points a et B ne se trouve pas à la même altitude). En électricité, il en va de même : pour déplacer les électrons dans un conducteur, il faut appliquer non pas une différence d’altitude, mais unedifférence de potentiel(que l’on appelle communément la ‘tension’). c)Notion de résistance Nous avons vu qu’un conducteur est un matériau qui possède la faculté de ne pas opposer de résistance au passage d’un courant électrique. Il convient de bien garder à l’esprit qu’un matériau n’est pas conducteur ou isolant, il y a des nuances. Ainsi un matériau très conducteur peut être vue comme un très mauvaise isolant… Afin de formaliser cela, on introduit une grandeur, qui va lier le courant traversant un matériau, à la tension présente à ces bornes (au même titre que la vitesse est une grandeur qui lie la distance et le temps). La résistance électrique d’un matériau est une grandeur qui caractérise sa faculté à s’opposer au passage du courant. Plus la résistance sera grande (ce qui signifie que le matériau oppose une grande résistance au passage du courant), et plus le courant traversant ce matériau sera faible. Les matériaux comme l’or ou l’argent ont une résistance qui est très faible, par contre le bois à une résistance relativement élevée. 4.Les unités : l’ampère, le volt et l’ohm Toutes les grandeurs physiques sont définies avec une unité. Ainsi on retiendra les suivantes : Tension électrique : Volts [V] Courant électrique : Ampère [A] Résistance électrique : Ohms [Ω]

MONTIGNY Eric

5.La loi d’Ohm La loi d’Ohm est le résultat d’une théorie datant de 1905 (que l’on doit à Mr Drude, et Mr Lorentz). Cette théorie illustre la dépendance entre le déplacement des électrons (donc le courant), et la tension que l’on applique aux bornes de ce matériau. La loi d’Ohm nous indique que le courant traversant un matériau est proportionnel à la tension appliquée à ce matériau, et la constante de proportionnalité est appelée la résistance. U=R*I : Tension appliquée U I : Courant R : Résistance Voyons cela via un petit montage, dans lequel on place une ampoule en série avec une résistance variable. Lorsque la résistance est faible, le courant peut aisément passer, et l’ampoule brille. A contrario, si la résistance est élevée, le courant peine à passer, et l’ampoule ne brille que faiblement :

U

R

U

R

La résistance est très faible. La résistance est trèsgrande. Si on trace le graphe du courant I en fonction de la tension U, on aura bien une droite dont la valeur à l’origine est zéro (lorsque la tension est nulle, le courant est nul), et donc la pente vaut R (qui est le coefficient de proportionnalité). I

U 6.L’énergie électrique Un système possède une énergie quand il est susceptible de produire du travail. L’énergie existe sous diverses formes : mécanique, calorifique, électrique, chimique, rayonnante, nucléaire, etc. Ces énergies peuvent s’échanger les unes en les autres. L’énergie électrique est donnée par : W=U*I*t : Tension (en volts) [V] U I : Courant (en ampères) [A] t : Durée (en secondes) [s] W : Energie (en Joules) [J] On notera que l’énergie s’exprime toujours en Joules, et ceux, quelque soit la nature de l’énergie (qu’elle soit électrique, chimique ou autre).

MONTIGNY Eric

7.La puissance électrique La puissance se déduit de l’énergie, en divisant par la durée : la puissance moyenne est une grandeur qui ne fait pas intervenir la durée : La puissance électrique est donnée par : P=U*I  U : Tension (en volts) [V] I : Courant (en ampères) [A] P : Puissance (en Watts) [W] Voici un petit tableau qui synthétise les diverses relations : Données Puissance P WATTS  Tension U VOLTS  Intensité I AMPERES  Résistance R OHMS Puissance P WATTS U²P P R=R= I= P I² R Tension U VOLTS P U U² I=R=P= UI R Intensit é I AMPERES =P=R.I²P P U.I U= I Ré sistance R OHMS =.U U R I P I= U= R R 8.La loi des mailles Une maille est un parcours fermé de branches, passant au plus une fois par nœud. Loi des mailles :La somme des tensions le long d’une maille est nulle. U 1

U 4

U 2

U 3 U 1 – U 2 + U3 + U 4 = 0V ε .U=0 ∑ k k k ε k vaut 1 si la tension est orientée dans le sens de la maille, et -1 dans le sens contraire.

MONTIGNY Eric

9.La loi des nœuds Nœud : Un nœud est un point du circuit qui relie plus de deux dipôles. Loi des mailles :La somme algébrique des courants circulant en direction d’un nœud d’un circuit est nulle. En d’autres termes, la somme des courants entrants, est égale à la somme des courants sortants.

I 1

I 3

I 2

I 4

I 1 + I 2 + I 3 – I 4 = 0 I=I ∑∑ ENTRANTS SORTANTS 10.Introduction au concept de générateur d’éléctricité a)L’éléctricité est une force L’électricité est une force, qui par sacauseproduit deseffets. Ainsi lorsqu’un opérateur (une personne) pousse un meuble, il exerce sur ce dernier une force, qui aura pour cause la poussé de l’opérateur sur le meuble, et qui aura pour effet, le déplacement du meuble : la force a fait uneaction.

Opérateur

Meuble

Force

L’électricité est une force qui aura pour effet de déplacer les électrons (précisons bien qu’il s’agit des électrons libres), et ainsi donner naissance au courant électrique. Il est impropre d’utiliser le terme de ‘fabriquer’ pour l’électricité, car étant donné qu’il s’agit d’une énergie, on sait qu’on ne peut pas en fabriquer, mais uniquement en transformer… (Lavoisier a énoncé, que «rien ne se perd, rien ne se créée, tout se transforme»). b)Le générateur de tension Par définition, un générateur de tension est un dipôle qui délivre une tension stable indépendamment du courant consommé par le circuit. Le générateur de tension parfait va délivrer une tension toujours stable, quelque soit le courant que va demander le circuit. Le secteur peut être assimilé à un générateur de tension, car quelque soit la charge que l’on branche, on a toujours une tension de 220V. Il en va de même pour les batteries délivrant du 1,5V, ces dernières vont délivrer un certain courant, mais toujours sous 1,5V.

MONTIGNY Eric

U(V)

I(A) La tension reste constante, quelque soit la valeur du courant.

La symbolisation est la suivante :

U AB

A

B

Générateur de tension idéal

MONTIGNY Eric

c)Un exemple de générateur de tension : la pile En 1800, Alessandro VOLTA (1745-1827) réalise la première pile. Il s’agissait d’un empilement alterné de pièces de cuivre et de zinc baignant dans un bocal d’eau salé. Et si un conducteur relie les deux pôles de la pile, un courant électrique circule. La pile qu’il réalisa peut être schématisé de la façon suivante :

Zinc

+ + + + + + + + +

 Ampèremètre

- - - - - - - - -

Cuivre

La pile produit un courant électrique grâce à une réaction chimique. Dans cette pile, les deux électrodes (ici, l’une est en cuivre, et l’autre en zinc) sont reliés par un fil et plongées dans une solution acide (dites d’électrolyse). La réaction chimique avec l’acide donne un excès d’électrons au zinc, ce qui crée un courant dans le fil conducteur, jusqu’à la plaquette de cuivre. d)Modélisation réelle d’un générateur de tension Un générateur de tension ou de courant est constitué de matière, or nous avons vu au paragraphe sur la résistance, que tous les matériaux possèdent une résistance. Il va de soi qu’un générateur va posséder une résistance, que l’on qualifie de résistance interne. Sa symbolisation va alors s’en trouver affecter : A

U R

E

R INTERNE

U AB

Générateur de tension

B e)Courant de court-circuit Le générateur de tension sera en court-circuit, si ces deux bornes sont reliées par un fil (un fil a une résistance que l’on considère comme nulle). Donc le générateur va délivrer un courant tel que : A

U R

E

R INTERNE

I AB

U AB

B

Générateur de tension, avec la sortie en court-circuit.