Cours Complet - Électricité - 1ère Année Secondaire

CHAPITRE : ÉLECTRICITÉ

Discipline : Sciences Physiques (Physique) — Niveau : 1

ère

Année

Secondaire

Volume horaire global : 9 heures — Conforme au programme officiel du Ministère de l’Éducation

⋆ Objectifs du chapitre

• Mettre en évidence et interpréter les phénomènes d’électrisation par frottement et par

contact.

• Interpréter l’électrisation par la structure atomique de la matière et le transfert d’électrons.

• Distinguer un corps conducteur d’un corps isolant, ainsi qu’un générateur d’un récepteur.

• Déterminer le sens conventionnel du courant électrique et identifier la nature des porteurs

de charge.

• Définir l’intensité du courant I, utiliser la relation Q = I · t et appliquer la loi des nuds.

• Mesurer une tension U , la représenter par une flèche UAB de B vers A et appliquer la loi

des mailles.

I. Électrisation et Charge Électrique (3 heures)

1. Modes d’électrisation

Un corps est dit électrisé lorsqu’il possède la propriété d’attirer des objets légers (poussières,

petits morceaux de papier, cheveux) après avoir subi un traitement mécanique.

Le programme officiel retient deux modes d’électrisation expérimentaux :

a- Électrisation par frottement : En frottant une baguette de verre avec de la soie ou une

baguette de plastique/ébonite avec de la laine, ces corps acquièrent une charge électrique.

b- Électrisation par contact : Lorsqu’un corps électrisé touche un corps neutre (ex. le pompon

d’un pendule électrostatique), le corps neutre acquiert une charge de même signe et se trouve

repoussé.

Remarque importante (Instruction ministérielle)

L’électrisation par influence (par rayonnement ou à distance sans contact) n’est pas au pro-

gramme de la 1

ère

année secondaire.

2. Interaction électrostatique et deux espèces d’électricité

Les expériences montrent qu’il existe exactement deux espèces d’électricité :

• L’électricité positive (+) : conventionnellement portée par le verre frotté.

• L’électricité négative (−) : conventionnellement portée par le plastique ou l’ébonite frotté.

Loi des interactions électrostatiques

• Deux corps portant des charges de même signe se repoussent.

• Deux corps portant des charges de signes contraires s’attirent.

1

− −

Répulsion (charges de même signe)

− +

Attraction (charges opposées)

Fig. 1 — Interactions électrostatiques entre corps chargés

3. Interprétation électronique de l’électrisation

La matière est constituée d’atomes :

• Un noyau central chargé positivement.

• Des électrons chargés négativement qui tournent autour du noyau.

Définition : Charge élémentaire

L’électron porte une charge électrique négative dont la valeur absolue est appelée charge

élémentaire, notée e :

e = 1,6 × 10

−19

C (Coulomb) (1)

La charge d’un électron est donc qe = −e = −1,6 × 10

−19

C.

• Atome neutre : Un atome possède autant de protons (+) dans son noyau que d’électrons (−)

autour ; sa charge globale est nulle (q = 0).

• Mécanisme de l’électrisation : L’électrisation résulte exclusivement d’un transfert d’élec-

trons d’un corps vers un autre :

— Un corps qui gagne des électrons devient chargé négativement (q < 0).

— Un corps qui perds des électrons devient chargé positivement (q > 0).

• Quantification de la charge : La valeur absolue de la charge q portée par un corps contenant

un excès ou un défaut de N électrons s’exprime par :

|q| = N · e (2)

II. Circuit Électrique, Sens et Nature du Courant (2 heures)

1. Le circuit électrique simple

Un circuit électrique simple est une chaîne continue d’éléments conducteurs comprenant :

• Un générateur (ex. pile ronde, pile plate, accumulateur) : il fournit l’énergie électrique au

circuit.

• Un ou plusieurs récepteurs (ex. lampe, moteur, résistor) : ils consomment l’énergie électrique

et la transforment en une autre forme (lumineuse, mécanique, thermique).

• Un interrupteur : il permet de fermer ou d’ouvrir le circuit.

• Des fils de connexion : ils assurent la liaison entre les composants.

Conducteurs et Isolants

• Conducteurs électriques : Matériaux qui laissent passer le courant électrique (ex.

cuivre, aluminium, fer, graphite, eau salée).

• Isolants électriques : Matériaux qui ne laissent pas passer le courant électrique (ex.

plastique, verre, bois sec, air, eau pure).

2

2. Sens conventionnel du courant électrique

Par convention internationale, dans un circuit fermé :

Règle : Sens conventionnel du courant I

À l’extérieur du générateur, le courant électrique circule du pôle positif (+) vers le pôle

négatif (−).

G

K (fermé)

L

I

I

I

e

−

(+)

(-)

Fig. 2 — Circuit électrique simple, sens conventionnel (I) et sens des électrons (e

−

)

3. Nature du courant électrique

Le courant électrique correspond à un déplacement d’ensemble ordonné de porteurs de

charges électriques :

1) Dans les conducteurs solides (métaux) : Le courant est dû à un déplacement d’ensemble

des électrons libres. Ils se déplacent dans le sens inverse du sens conventionnel, c’est-à-dire du

pôle (−) vers le pôle (+).

2) Dans les électrolytes (solutions conductrices) : Le courant est dû au déplacement simultané

de deux types d’ions :

— Les cations (ions positifs, ex. Na

+

, Cu

2+

) se déplacent dans le sens conventionnel du

courant (vers la cathode relie au pole −).

— Les anions (ions négatifs, ex. Cl

−

, SO

2−

4

) se déplacent en sens inverse (vers l’anode relie

au pole +).

III. Intensité du Courant et Loi des Nuds (2 heures)

1. Définition et mesure de l’intensité

L’intensité I du courant électrique traduit le débit de charge électrique à travers la section droite

d’un conducteur.

Formule fondamentale : Quantité d’électricité

Q = I · t ⇐⇒ I =

Q

t

(3)

• I : intensité du courant exprimée en Ampères (A).

• Q : quantité d’électricité (charge totale) exprimée en Coulombs (C).

• t : durée de passage exprimée en secondes (s).

3

Calcul du nombre d’électrons N

Si la charge totale est transportée par des électrons, le nombre N d’électrons ayant traversé la

section est :

N =

Q

e

=

I · t

e

(4)

• Appareil de mesure : L’intensité du courant se mesure à l’aide d’un ampèremètre.

• Règles de branchement :

— L’ampèremètre se branche toujours en SÉRIE dans la branche où l’on veut mesurer

l’intensité.

— Le courant doit entrer par la borne positive (A ou mA) et sortir par la borne commune

(COM).

2. Loi des nuds

• Définition d’un nud : Un nud est un point de jonction où se rencontrent au moins trois fils

de connexion.

Énoncé de la Loi des Nuds

La somme des intensités des courants qui entrent dans un nud est égale à la somme des

intensités des courants qui en sortent.

∑

Ientrants =

∑

Isortants (5)

K

I1

I2

I3

I4

I5

Exemple pour le nud K ci-dessus : I1 + I2 = I3 + I4 + I5

Fig. 3 — Illustration de la loi des nuds au point K

IV. Tension Électrique et Loi des Mailles (2 heures)

1. Notion de tension électrique et représentation

La tension électrique UAB entre deux points A et B d’un circuit est la différence de potentiel

électrique entre ces deux points. C’est une grandeur algébrique exprimée en Volts (V).

Propriété d’antisymétrie

UAB = −UBA (6)

4

Règle officielle de représentation par une flèche (Conforme aux directives ministé-

rielles)

La tension UAB aux bornes d’un dipôle D est symbolisée sur un schéma de circuit par une

flèche orientée du point B vers le point A (la pointe de la flèche est dirigée vers la

première lettre de l’indice A).

A B

D

U

AB

Fig. 4 — Flèche de représentation rigoureuse de la tension UAB (orientée de B vers A)

2. Appareils de mesure de la tension

a- Voltmètre : Se branche toujours en DÉRIVATION (parallèle) aux bornes du dipôle étudié.

Pour mesurer UAB , la borne V est reliée à A et la borne COM à B.

b- Oscilloscope : Permet de visualiser et de mesurer une tension continue ou variable. Pour une

déviation verticale de y divisions avec une sensibilité verticale Sy (en V/div) :

U = Sy · y (7)

3. Loi des mailles

• Définition d’une maille : Une maille est un parcours fermé passant par une suite de dipôles

sans repasser deux fois par le même point.

Énoncé de la Loi des Mailles

Dans une maille orientée, la somme algébrique des tensions rencontrées le long de la maille est

égale à zéro.

∑

U = 0 (8)

N

GUP N

P A

L1 UAB

B

C

R UCD

D

Maille 1

Dans la maille 1 (orientée dans le sens horaire) : UP N − UAB = 0 =⇒ UAB = UP N

Fig. 5 — Circuit à deux mailles en dérivation

5

V. Exemples d’Application Résolus & L’Essentiel

1. Application 1 : Calcul de débit de charge et nombre d’électrons

Énoncé

Un fil de cuivre reliant une pile à une lampe est traversé par un courant continu d’intensité

I = 0,32 A pendant une durée t = 5 minutes.

1) Calculer la quantité d’électricité Q ayant traversé la section du fil.

2) Déterminer le nombre N d’électrons qui ont circulé dans ce conducteur pendant cet inter-

valle de temps.

Solution détaillée

1) Calcul de la quantité d’électricité Q : Convertissons la durée en secondes : t = 5 min =

5 × 60 s = 300 s.

Q = I · t = 0,32 A × 300 s = 96 C

2) Calcul du nombre d’électrons N : Sachant que la charge élémentaire est e = 1,6 ×

10

−19

C :

N =

Q

e

=

96

1,6 × 10

−19

= 6,0 × 10

20

électrons

2. Application 2 : Lois des nuds et des mailles dans un circuit dérivé

Énoncé

Un générateur maintient entre ses bornes P et N une tension UP N = 12 V. Il alimente en

parallèle deux branches :

• La première branche contient une lampe L1 traversée par un courant I1 = 0,30 A.

• La deuxième branche contient un moteur M traversé par un courant I2 = 0,50 A.

1) Calculer l’intensité totale I débitée par le générateur.

2) Déterminer la valeur de la tension aux bornes de la lampe UL1

et aux bornes du moteur

UM .

Solution détaillée

1) Loi des nuds : Au nud principal reliant le générateur aux deux branches :

I = I1 + I2 = 0,30 A + 0,50 A = 0,80 A

2) Loi des mailles : Les dipôles L1 et M étant branchés en parallèle aux bornes du généra-

teur :

UL1

= UP N = 12 V et UM = UP N = 12 V

6

L’Essentiel du Chapitre Électricité

Notion

Formule / Règle Unités SI / Appareil

Charge élémentaire

e = 1,6 × 10

−19

C Charge q en Coulomb (C)

Quantité d’électricité

Q = I · t = N · e I en Ampère (A), t en s

Sens du courant

Du + vers le − à l’extérieur du gé-

nérateur

Inversé pour les électrons (e

−

)

Loi des nuds

∑

Ientrants =

∑

Isortants Mesure à l’ampèremètre (série)

Tension UAB

Flèche orientée de B vers A (UAB =

−UBA)

Mesure au voltmètre (dériva-

tion)

Loi des mailles

∑

U = 0 le long d’une maille Tension U en Volt (V)

7