Série d'exercices N°1 - Électricité

SÉRIE D’EXERCICES N

◦

1 : ÉLECTRICITÉ

Matière : Physique — Niveau : 1

ère

Année Secondaire (Tronc Commun)

Thèmes : Électrisation, Circuit électrique, Sens & Nature du courant, Intensité & Loi des nuds,

Tension & Loi des mailles

Exercice 1 : Électrisation, structure de l’atome et charge électrique

Au laboratoire de physique du lycée, des élèves réalisent une série d’expériences d’électrostatique

pour étudier le comportement des corps électrisés :

• Expérience 1 : On frotte une règle en plastique avec un chiffon de laine. La règle acquiert

une charge électrique négative qR = −4,8 × 10

−18

C.

• Expérience 2 : On frotte un bâton de verre avec un morceau de soie. Le bâton de verre

acquiert une charge électrique positive qV = +3,2 × 10

−18

C.

• Expérience 3 : On approche le bâton de verre électrisé d’une petite pendule électrostatique

constituée d’une légère bille d’aluminium B suspendue à un fil isolant (Fig. 1). On observe une

attraction initiale puis, après contact avec le bâton de verre, la bille B est vivement repoussée.

Bille B

Fil isolant

Bâton de verre (+)

+ + + +

Approche

Fig. 1

1) Préciser le mode d’électrisation mis en jeu dans les expériences 1 et 2.

2) Préciser le mode d’électrisation subi par la bille B après son contact avec le bâton de verre dans

l’expérience 3.

3) Rappeler la règle d’interaction électrostatique entre deux corps portant des charges de même

signe, puis entre deux corps portant des charges de signes contraires.

4) Interpréter l’électrisation par frottement en s’appuyant sur la structure de l’atome (noyau positif

et électrons négatifs) et le transfert de porteurs de charge.

5) Pour la règle en plastique :

a- Indiquer si la règle a gagné ou perdu des électrons lors du frottement.

b- Calculer le nombre nR d’électrons transférés.

6) Pour le bâton de verre :

a- Indiquer si le bâton a gagné ou perdu des électrons lors du frottement.

b- Calculer le nombre nV d’électrons transférés.

7) Expliquer l’attraction initiale de la bille d’aluminium neutre par le bâton de verre avant le contact

(phénomène d’électrisation par influence).

On donne : Charge élémentaire e = 1,6 × 10

−19

C.

1

Exercice 2 : Circuit électrique, sens conventionnel et nature du courant

On réalise le montage électrique représenté sur le schéma ci-dessous (Fig. 2). Ce circuit comprend

en série :

• Une pile plate G jouant le rôle de générateur de tension continue (U = 4,5 V).

• Un interrupteur de commande K.

• Une diode électroluminescente (DEL).

• Une lampe incandescente L.

• Une cuve électrolytique contenant une solution aqueuse de chlorure de sodium (Na

+

+ Cl

−

)

reliée par deux électrodes de graphite.

G

K

DEL

L

Cuve électrolytique

Fig. 2

1) Classer l’ensemble des éléments du circuit de la Fig. 2 en deux catégories : les dipôles générateurs

et les dipôles récepteurs.

2) Indiquer le rôle joué par l’interrupteur K dans ce circuit.

3) Lorsque l’interrupteur K est fermé, la DEL s’allume et la lampe L brille normalement.

a- Rappeler la définition du sens conventionnel du courant électrique à l’extérieur du généra-

teur.

b- Représenter par des flèches le sens conventionnel du courant électrique sur le schéma du

circuit.

c- Préciser le rôle d’une diode dans un circuit électrique. Que se passerait-il si l’on branchait

la DEL en sens inverse (sens bloquant) ?

4) Expliquer la nature du courant électrique (nature des porteurs de charge en mouvement) :

a- Dans les fils de jonction en cuivre (conducteurs solides).

b- Dans la solution aqueuse de chlorure de sodium (conducteur liquide / électrolyte).

5) Préciser le sens de déplacement réel des électrons libres dans les fils de cuivre par rapport au sens

conventionnel du courant électrique.

6) Citer deux effets du courant électrique mis en évidence lors du fonctionnement de ce circuit (effet

thermique, lumineux, chimique ou magnétique).

Exercice 3 : Intensité du courant, quantité d’électricité et loi des nuds

On monte le circuit en dérivation représenté sur la Fig. 3. Le générateur délivre un courant continu

d’intensité principale I. Un ampèremètre principal Ap mesure le courant délivré par la batterie. Le

circuit comporte trois branches dérivées contenant chacune une lampe.

2

G

K

A

Ap

N1

L1

L2

L3

N2

I

I1

I2

I3

Fig. 3

1) Définir l’intensité du courant électrique et donner son symbole ainsi que son unité fondamentale

dans le Système International (S.I.).

2) L’ampèremètre analogique Ap possède un cadran comportant C = 100 divisions. Lorsqu’il est

réglé sur le calibre Cal = 1 A, son aiguille s’arrête devant la graduation n = 75 divisions.

a- Rappeler la formule permettant de calculer l’intensité I mesurée par un ampèremètre ana-

logique à aiguille.

b- Calculer la valeur numérique de l’intensité principale I.

3) Énoncer la loi des nuds.

4) Identifier les deux nuds du circuit de la Fig. 3 et écrire la relation entre l’intensité principale I

et les intensités dérivées I1, I2 et I3 au nud N1.

5) Sachant que les lampes L1 et L2 sont identiques et qu’elles sont traversées par des courants d’égale

intensité I1 = I2 = 0,25 A, déterminer la valeur de l’intensité I3 qui traverse la lampe L3.

6) Calculer la quantité d’électricité Q qui traverse la section du conducteur principal pendant une

durée de fonctionnement ∆t = 5 minutes.

7) Déduire le nombre total N d’électrons ayant traversé cette section pendant cet intervalle de temps.

8) Quel serait l’impact sur la brillance des lampes si la lampe L1 venait à griller ? Justifier la réponse

en rappelant une propriété essentielle des circuits en dérivation.

On donne : Charge élémentaire e = 1,6 × 10

−19

C.

Exercice 4 : Tension électrique, oscilloscope et loi des mailles

Ce problème comporte deux parties indépendantes visant à comparer les méthodes de mesure de

la tension électrique et à appliquer les lois des circuits.

Partie A : Mesure et visualisation d’une tension continue à l’oscilloscope

On connecte une pile électrique aux bornes de la voie Y d’un oscilloscope. Le balayage temporel

horizontal de l’oscilloscope est désactivé. La sensibilité verticale est réglée sur Sv = 2 V/div. L’écran

circulaire de l’oscilloscope fait apparaître un spot ou un trait horizontal lumineux comme illustré sur

la Fig. 4.

3

x

y

Ligne lumineuse (y = +2 div)

Fig. 4

1) Indiquer le type de tension observée sur l’écran (tension continue ou tension variable). Justifier

la réponse à partir de l’aspect de la ligne lumineuse.

2) Déterminer graphiquement la déviation verticale y du trait lumineux en divisions (div).

3) Rappeler la relation liant la tension UG, la sensibilité verticale Sv et la déviation y. Calculer la

valeur de la tension UG délivrée par la pile.

4) Indiquer la modification observée sur l’écran de l’oscilloscope si l’on inverse les connexions aux

bornes de la pile.

Partie B : Étude des tensions dans un circuit fermé (Loi des mailles)

On réalise le circuit électrique représenté sur le schéma de la Fig. 5. Il comprend en série le

générateur précédent fournissant une tension UAB = 6,0 V, un conducteur ohmique (résistor) de

résistance R, un petit moteur électrique M et une lampe d’éclairage L.

A

GUAB

B

R

UBC

C

M

UCD

D

L UDE

E

Fig. 5

1) À l’aide d’un voltmètre numérique, on mesure les tensions aux bornes des récepteurs :

• La tension aux bornes du moteur est UCD = 2,2 V.

• La tension aux bornes de la lampe est UDE = 1,8 V.

2) Énoncer la loi des mailles (loi d’additivité des tensions dans un circuit en série).

3) Écrire l’équation algébrique de la maille ABCDEA reliant les différentes tensions du circuit (UAB ,

UBC , UCD et UDE ).

4) Calculer la valeur numérique de la tension UBC aux bornes du conducteur ohmique.

5) Pour effectuer la mesure expérimentale de la tension UBC à l’aide d’un voltmètre numérique :

a- Indiquer le mode de branchement du voltmètre par rapport au conducteur ohmique (en série

ou en dérivation).

b- Préciser à quel point (B ou C) doit être reliée la borne V et la borne COM du voltmètre

afin d’afficher une valeur positive +UBC .

6) Préciser la valeur de la tension aux bornes de l’interrupteur lorsqu’il est fermé, puis lorsqu’il est

ouvert (le circuit devenant alors ouvert).

4