ELECTRICITÉ (théories et pratiques) (Travaux Pratiques Encadrés - Espaces pédagogiques interactifs)

« du fonctionnement des dynamos, dans lesquelles une bobine de fil conducteur en rotation dans un champ magnétique produit un courant électrique .

• Unit é: le tesla (symbole : n ou le gauss (symbole : G ) dans le système d'unités CGS (centi mètre gramme seconde) électromagnétique, peu utilisé aujourd 'hui].

• Dans un circuit électri que où le flux magnétique (webe r ; symbo le :Wb ) varie en fonction du temps (t) se crée une force électromotrice (e).

Sa valeur est donnée par la loi de Lenz: e =-dWb /d t LOIS ET FORMULES EN COURANT CONTINU Loi d'Ohm • Établie par Georg Simon Ohm en 1827 .

U=Rxl G = 1/R P=U x 1= Rx I' =U '/R Loi de Joule • Établ ie par James Joule en 1841.

Le passage d 'un courant constant dans un conducteur produit de la chaleur (énergie calorifique) proportionnellement à la résistance du système électrique et au carré de l'inten sité de ce courant électrique.

La puis sance perdue par le systè me s'écri t donc: P = R x l' Lois de Kirchhoff (loi des nœuds et loi des mailles) • Dans un circuit en parallèl e, la somme des courants partant d'un nœud est égale à la somme des courants qui arrivent à ce nœud .

• Dans une maille -~! -- 111111 1 ;r T U=Ur = U>= ...

=Un addition des tensions et (boucle des courants dans un circuit électrique), la somme des tensions est nulle (égale à O).

Résistance totale d'un dreuil • Dans un circuit électrique en série, si n résistances sont branchées , la résistance totale du circuit R est égale à la somm e des résista nces : R=R 1 +R2 + ..

.

+Rn • Dans un circuit en parallèle : si n résistance s sont branchées, l'inverse de la résistance 1/R est donnée par la formule : 1/R= 1/R 1 + 1/R 2 + ...

+ 1/Rn U = Ur + U1 + UJ + •..

+ Un addition des tensions • Si deux résistances seulement sont • Discipline de la physique qui s'intéresse à l'électricité statique c'est-à -dire aux charges électriques immobiles.

Elle permet d'expliquer certaines réactions chimiques et des phénomènes comme la foudre , les décharges ressenties lors du contact avec une carrosserie de voiture .

Elle a de multiples application s comme les tubes cathodiques et donc la télévision .

Électrodnéli ue • Étude du déplacement des charges électriques dans les conducteurs .

Électromagnétisme • Étude les interactions de l'é lectricité et du magnétisme .

Électroni ue • Discipline de la physique appliquant les caractéristiques du courant électri que au traitement et au transport de l'information (puces électr oniques, ordinateurs , télécommunications , etc.) .

Grandes dates • Antiquité : Thalès décrit un phénomène électrostatique ; après avoir été frotté, l'ambre attire des corps légers .

Le même phénomène s'observe avec le verre.

• Moyen Age : les Chinois utilise nt la boussole , dont le fonctionnement est fondé sur le magnétisme terrestre.

• Vers l'an 1000 : l e pape Sylvestre Il fait planter des pics pointu s à l'approche des orages.

D ébut de l'utilisation du paratonnerre .

• XVI ' s.

: William Gilbert propose le mot eledrico (du grec êlektron, qui signifie« ambre jaune») pour rendre compte du phénomène d'attraction de certaines matière s.

Il m et en évide nce le magnétis me de la Terr e.

• 1672 : Otto von Gericke fabriqu e le premier générateur électrostatique (boule de soufre traver sée par une manivelle ) et observe la luminescence induite par un champ électrique.

• Début du XVIII ' s.

: on découvr e que des matériaux sont isolants et d'autre s conducteurs.

Charle s Du Fay de Cisternay distingue les charges « vitreuses » (positives) des charges « résineuses » (négatives ).

• 1745 : le premier condensateur (composant emmagas inant des charges électriques) est créé (bouteille de Leyde ).

• 1760 : Benjamin Franklin découvre le paratonnerre et l 'installe à Philadelphie .

• Fin du XVIII ' s.

: Luigi Galvani découvre l'électricité animale et la nature électrique de l'excitation des nerfs et des muscles.

-Alessandro Volta invente le premier gén érateur de courant électrique continu : la pile voltaïque .

- Laplace énonce les premièr es lois de l'électroma gnétisme.

-Coulomb énonce les premières lois de l'électrostatique .

• XIXes.

-1800 : Nicholson et Carlyle découvrent l'électro lyse.

Davy observe l 'arc électrique et crée la première lampe .

- 1819 :expér iences de Hans Œrsted sur l'électromagnétisme .

-1820 : Loui s-Marie Ampère énonce les premières lois de l'électromagnétisme .

-1821 :Michael Faraday crée le premier moteur élect riqu e.

-1827 : Geor g Simon Ohm é nonce sa loi.

-1831 : Michael Faraday découvre l'induction .

-1841 :James Joule énonce les lois sur la déperdition de chaleur.

Paris s'éclaire avec des lampes à arc électrique.

-1847 : Gustav Kirchhoff énonce ses lois.

- 1864 :Jame s Maxwe ll expo se ses équations généra les du champ é lectromagnétique.

-1871 : Zénobe Gramme invente la dynamo .

- 1876 : Graham Bell met au point le téléphone .

- 1878 :Thomas Edison met au point la première lampe à incandescence.

-1881 :Joseph Thomson découvre l 'existence de l'électron .

- 1882 : Marcel Deprez invente le système des lignes électriques.

- 1887 : le métro londonien se dote d 'une traction électrique.

-1896 :Guglielmo Marconi utilise les ondes radioélectriques pour mettre au point la radio .

A l a fin du X IX ' siècle : - Siemens conçoit le tramway élect riqu e .

-On découvre l'électrocardiogramme .

- Les premiers accidents par électrocution entraînent l'élaboration de règles de sécurité .

• Les premières exécutions sur chaise é lectriqu e ont lieu aux États-Unis • Wilhelm Rônt gen découvre les rayons X, c'est le début de la radiol ogie.

xx· s.

• Le siècle du " tout-électrique» débute avec de nombreu ses inventions : sonnett es, radiat eurs, réveils, pistolets à peinture , laboureuses, voitures , rails, etc.

Personna es-dés Ampère, André Marie (1775-1836) • Physicien et chimiste français , jette les bases de l'électromagnéti sm e, de l'électrodyna­ miqu e et de la théorie électronique de la matière.

Invente notamment le télégraphe électriqu e et, avec Arago, l'électro-aimant.

Becquerel, Antoine (1788·1878) Centrales hydrauliques • Découvre l 'effet piézoélectrique et la • Utilisation de l'énerg i e mécanique pile photovoltaïque.

produite par les déplacements de l'eau Cavendish, Henri (1731-1810) (marées , fleuves) dans les usines • Physicien et chim iste britannique, fonde marémotrices ou au niveau des l'électrostatique avec Charles Coulomb .

barrage s.

Cette énergie mécanique est Coulomb , Charles de (1736·1806) convertie en énergie électrique .

• Physicien français marque Piles et accumulateurs l 'é lectrostatique et le magnétisme.

·Fabrication d'énerg ie é lectrique à Énonce les lois qui régissent l'attractio n partir d'énergie chimique .

lis sont et la répulsion des charges électriques utilisés pour fournir une énergie (lois de Coulomb ).

Laisse son nom électrique aisément transportable à une unité de quantité électrique .

(piles, batteries rechargeables , etc.) .

=Ed=i~so~n~·~Th~om ==as~(1~84~7~·~19~3~1L)-= == =ci=Éo~l=ie~n=n~es~--~~--~------ • Inventeur • L'énergie fourn ie par le vent américain , crée le télégraphe duplex, le phonographe (dont le principe est conçu par le Français Charles Cros en 1876),1e microtéléphone et la lampe à incandescence.

Installe , à New York , la première centrale électrique.

Faraday, Michael (1791-1867) • Autod idacte britannique, inve nte le moteur électr ique , met au point l'induction électroma g n étique et explique le phénom ène de l'électroly se.

Franklin, Benjamin (1706-1790) • Homme politique et homme d e science américain, découvre la nature électrique de l'éclai r et invente le paratonnerr e.

(dép lacement de masses d'air) fait tourner les pales de grandes hélices ou éoliennes .

L'énergie mécanique est transformée e n él ectricité.

Central es solaires • L'énergie solaire peut être utilisée pour chauffer une substa nce dont l'énergie calorifique est ensuite tran sformée en é lectricité.

Les études s'orientent aujourd'hui vers une production directe à partir de l'énergie solai re qui évite les déperditions d'énergie (électric ité photovoltaïque) .

Centrales géothermiques • Exploitation de la chaleur dégagée par la Terre (en Islande) .

Les sources d'eau chaude sont utilis ées d irectement (chauffa ge central) ou trait ées en centrales thermique s.

Des roche s chaudes et sèches sont forée s pour être traversé es par des courants artificiels d'eau qu'elles réchauffent.

Énergie des déchets Luigi Galvani (1737-1798) 1-L-es--d-iod_es _______ _, • Médecin italien, pratique de nombreu ses expériences d 'excitabilité • La majeure partie des déchets peut être brûl ée en centrale thermique pour produire de l'électrici té.

• Les diodes sont des composants des ne rfs et des muscl es par l'électricité électroniques laissant passer le courant sur les animaux.

dans un sens et pas dans l'autre.

Joule, James PrescoH ( 1 818_1889) • Elles servent à redresser le courant , , Physicien britannique , étudie la c'est-à-dire à transformer un courant alternatif en courant continu.

chaleur déga gée par un circuit électrique (loi de Joule ).

Nombreuses • Une diode ne laisse en fait passer expériences sur les lois de conservation qu'une partie de la sinus oïde , de l'énergie.

Ses travaux en c'est pourquoi on parle de" courant thermodynamique sont à l'origine de la redressé " et non de véritable découverte de la réfrigération .

Laisse "courant alternatif" · son nom à une unité d'énergie .

-_,...

-- -- L ~.:.::s t Maxwell, James Clerk (1831-1879) Physicien britannique, énonce les équations de l'électromagnétisme liant champs électriqu es et magn étique s.

Volta, Alessandro (1745-1827) Physicien italien , invente l'eudiomètre et la pile électrique.

Laisse son nom à l'unité de mesure de la tension électrique.

PRODUCTION D 'ÉLECTRICITÉ Centrales thermi ues • Production d'électricité par combustion de charbon, de fuel ou de gaz (transformation de l'énergie thermique en énergie électr ique).

En France , elles fournissent s % de l'électricité produite par EDF.

Centrales nucléaires • Product ion d'électricit é récupération de la chaleur dégagée par une réaction nucléaire (fission de l'uranium 23S) .

L'énergie calorifique est ensuite transformée en énerg ie mécanique , puis électrique.

Fournissent 17 % de la production mondiale d'électricit é.

Quelques chiffres de production En millia rds de kWh (1998) ·États-U n is: 3 212 ; • Chine : 1 128 ; • Russie : 827 ; • Canad a : S43 ; • Allema gne : SOS ; • France : 486 ; • Royaume-Uni : 337 ; • Brésil : 307 ; Transport de l' éledridté En France , le réseau de distribution de l'électricité (du site de production au consommateur) comprend : • 60 000 km de lignes à très haut e t ension (400 000 volts) et à moyenne tension (63 000 et 90 000 volts ) ; • S90 ooo km de lignes à moyenne tension (20 000 volts) ; • 630 000 km de lignes à basse tension (380 et 220 volts).

CONSOMMATION D'ÉLECTRICITÉ Consommation d'éledridté dans quelques pays En milliards de kWh (1998) • États-Un is : 3 8S9 ; • Union européenne : 2 S03 ; • Chine : 1 198 ; • Allema gne : SS6 ; • Canada : S34 ; • France : 4S3 ; • Royaume-Uni : 371 ; • Brésil : 361 ; • Espagne : 199.

Consommation individuelle Consommation d'électricité par hobito~t et par on • Canada : 17 soo kWh ; • États -Unis : 13 soo kWh ; • France : 7 200 kWh ; • Grande-Bretagne : s 800 kWh ; • Espagn e : 4 200 kW ; • Chine : 800 kW.. »