Cours d’introduction a l’electricite generale

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GENERALITES  SUR  LE  COURANT ELECTRIQUE

DUREE : 3 H

CLASSE : 2° S

Avant de suivre cette leçon, les élèves devront être capable de :

 connaitre l’existence du courant électrique et son rôle dans la vie de tous les jours.

 avoir la notion de porteurs de charges.

 connaitre quelques exemples d’isolants (matériaux

contenant des porteurs de charges liés).

 connaitre quelques exemples de conducteurs métalliques (matériaux contenant des porteurs de charges libres).  reconnaitre les dégagements gazeux aux électrodes de l’électrolyseur (analyse de l’eau)

Spécifications 

Savoir 

 lier certains phénomènes (fonctionnement de lampes

électriques, d’appareils électroménagers…au passage du courant électrique.)

Savoir faire théorique

 commander le passage du courant électrique grâce à un

interrupteur «contact». 

Savoir faire expérimental

 faire preuve de curiosité pour les phénomènes électriques.

Savoir être

Matériel standard

Appareils de mesure

Produits

Générateurs

?Source de tension réglable 

? pile plate

?milliampèremètre

?électrolytes : (solution d’acide sulfurique, solution de sulfate de cuivre ; solution de dichromate

de potassium)

?eau distillée

Récepteurs

?électrolyseur 

?lampes

Accessoires

?Interrupteur 

?fils de connexion 

?aiguille aimantée 

? lampe torche

? un matériau isolant

?un objet métallique

?tige en cuivre

?aimant

?vase poreux

?tube en U

?récipient contenant du

mercure

?électrodes en graphite et en cuivre

Expériences à réaliser

Objectif de l’expérience

Phénomène à observer

Situation de l’expérience dans la leçon

Matériel

Produits

Expérience d’EORSTED

Utiliser l’effet

magnétique du courant

Déviation de l’aiguille

aimantée

Les effets du courant électrique

?Tige en cuivre

?Aiguille aimantée

?Générateur

?Interrupteur

?Fils de connexion ?Support du tige en cuivre

Electrolyse de l’eau

Utiliser l’effet chimique du courant

Dégagements de bulles aux électrodes

Les effets du courant électrique

?Electrolyseur

?Générateur

?Fils de connexion

?Interrupteur

?eau distillée

Electrolyse : les transformations du cuivre

Application des

effets chimiques du courant

Recouvrement de l’électrode graphite avec du cuivre et coloration en bleue de l’électrode en cuivre qui est rongée

Courant électrique dans les solutions

?électrode en cuivre ?électrode en graphite ?générateur

?vase poreux

?fils de connexion

?récipient

?interrupteur

?acide sulfurique ?solution de sulfate de cuivre

Mise en évidence directe de la migration des ions dans un tube en U

Expliquer la nature du courant électrique dans les solutions électrolytiques

Migration des anions orangés vers l’anode et des cations bleus vers la cathode

Courant électrique dans les solutions

?tube en U ?électrodes en graphite

?générateur

?fils de connexion

?solution de dichromate de potassium solution de ?sulfate de cuivre

TIMING

DEROULEMENT POSSIBLE

TRACES ECRITES DES ELEVES

10mn

10mn

Approche introductive

Dans l’étude des phénomènes d’électrisation, nous avions donné un exemple d’électricité naturelle : la foudre.

.

Question :

Au Sénégal, quelle est la société nationale qui s’occupe de la production et de la distribution de l’électricité?

Réponse attendue : La SENELEC Question :

A quoi sert cette électricité ?

Réponse attendue : faire fonctionner les appareils électriques.

Donner des exemples d’appareils électriques.

Portables, téléviseurs, réfrigérateurs,…

Comment faire fonctionner ces appareils avec le courant électrique, quels sont les effets du courant électrique et la nature du courant électrique ?

Nous allons essayer de trouver des réponses à ces questions dans le chapitre intitulé : généralités sur le courant électrique.

QUESTION : 

Présenter un fil, une pile, une lampe.

Comment faire pour allumer la lampe ? Faire le schéma au tableau et expliquer aux élèves que lampe torche fonctionne selon le même principe.        ?expliquer les différences au niveau des pôles (bornes) de la pile.       ?Identifier les éléments du circuit. Donner les symboles électriques et demander aux élèves de réaliser le circuit électrique simple précédant (lampe torche).

Leur préciser que ces symboles sont valables partout ? on obtient des schémas normalisés.

I   -  NOTION DE CIRCUIT ELECTRIQUE

I-1      EXEMPLE DE CIRCUIT ELECTRIQUE

SIMPLE

Fil

     ?Lampe

         ?Pile

La figure 1 montre la réalisation d’un circuit électrique simple

I-2      ELEMENTS     DU         CIRCUIT

ELECTRIQUE

Un circuit électrique est une suite ininterrompue qui comprend les éléments suivants :

UN GENERATEUR (G) : 

C’est un appareil électrique qui fournit le courant électrique (pile, accumulateurs, dynamo, panneaux solaires,…) Exemple de la pile :

Elle possède deux bornes différenciées : l’une positive (petite languette) et l’autre négative (languette longue).

UNE LAMPE (L) : c’est l’appareil qu’il faut faire fonctionner.

Elle reçoit le courant électrique (c’est un récepteur). C’est elle qui nous permet de vérifier le passage du courant dans le circuit.

Les différents éléments sont reliés les uns aux autres par des fils de connexion.

UN INTERRUPTEUR(K) : il commande le passage du courant dans le circuit.

Chaque élément du circuit comporte deux bornes : ce sont des dipôles.

TIMING

DEROULEMENT POSSIBLE

TRACES ECRITES DES ELEVES

10mn

  I-4  SCHEMA D’UN CIRCUIT ELECTRIQUE

Circuit fermé

Circuit ouvert

                       G

Lampe grillée

Circuit ouvert

Figure 6

Remarques : un circuit électrique peut avoir deux comportements.

Lorsque le circuit présente une ouverture au niveau de l’interrupteur ou si la lampe est grillée, le courant ne circule pas et la lampe ne s’allume pas. Le circuit est dit ouvert.

Lorsque le circuit ne présente aucune ouverture au niveau de l’interrupteur, ni au niveau de la lampe, ni ailleurs, on dit que le circuit est fermé. Le courant circule et la lampe s’allume.

15mn

10mn

Introduction   conducteurs   etisolants.

? on représente le circuit ouvert ci-contre au tableau.

? on réalise le montage.

? on insère entre les points A et B du circuit successivement un objet métallique, une mine de crayon, un objet en bois, en plastique, du papier, …

? on relève les observations.

Introduction d’un circuit ensérie

Présenter le matériel

4 fils de connexion

Un générateur de courant

Deux lampes

Un interrupteur Question :

Est-il possible de réaliser un montage pour allumer les deux lampes ?

On ne fermera l’interrupteur qu’après vérification du montage réalisé par les élèves.

   I-5  CONDUCTEURS ET      ISOLANTS

ELECTRIQUES

              G

                                                 A

                                L1

B

Figure 7

La lampe s’allume lorsqu’on insère l’objet métallique et la mine de crayon.

Ces objets laissent passer le courant électrique : ce sont des conducteurs électriques.

Exemples : les métaux, le corps humain… La lampe est éteinte pour le bois, le plastique et le papier.

Ces objets ne laissent pas passer le courant électrique : ce sont des isolants électriques.

Exemples : le plastique, le caoutchouc…

II     RELATIONS ENTRE LES ELEMENTS

D’UN CIRCUIT

      II-1   CIRCUIT EN SERIE

Figure 8

L₁, L₂, L₃ sont en série.

Si les éléments du circuit sont disposés les uns à la suite des autres comme le montre la figure-ci-dessous, alors le circuit est appelé circuit en série.

10mn

10mn

Introduction d’un circuitparallèle(ou en dérivation).

? on part d’un circuit simple comportant un générateur, une  lampe et un interrupteur.

Figure 9

?aux    deux      bornes du générateur, on branche une autre lampe.

Les deux lampes s’allument

Figure 11

Exemples d’utilisations           decircuits               en                 dérivation: ?électrification              des                 maisons, circuit d’une bicyclette.

?Il y a deux points communs aux deux lampes et au générateur, on a réalisé un circuit en parallèle.

Introduction       avantages       et

inconvénients

? considérer un circuit série comportant deux lampes

?remplacer l’une des lampes par une lampe grillée

Constat : l’autre lampe ne s’allume pas, donc le courant ne passe pas (on ne peut installer un circuit série pour l’électrification

II-2  CIRCUIT EN DERIVATION

Figure 10

L₁, L₂, L₃, sont en dérivation.

Si les lampes L₁, L₂ et L₃ sont disposées sur trois branches comme le montre la figure cidessous, alors les trois lampes sont branchées en dérivation. Ce type de circuit est toujours utilisé dans les installations domestiques.

 II-3 INCONVENIENTS ET AVANTAGES

Dans un circuit série, il suffit qu’un seul élément soit en mauvais état pour que les autres éléments du circuit cessent de fonctionner ; tandis que dans un circuit en dérivation, les autres éléments du circuit continuent de fonctionner lorsqu’un élément est en mauvais état.

15mn

d’une maison car dés qu’une des lampes est grillée, toutes les autres lampes sont éteintes.

Considérer un circuit parallèle comportant deux lampes. ?remplacer une lampe par une lampe grillée.

Constat : l’autre lampe s’allume, donc le courant passe. Donc, il est plus commode de réaliser des circuits en parallèle dans les maisons.

Remarques complémentaires : Dans le circuit en série, les lampes sont moins éclairées et la consommation énergétique est réduite.

Par contre dans les circuits en parallèle, les lampes sont beaucoup plus éclairées et la consommation énergétique est beaucoup plus importante.

Sur la figure ci-après, nous avons schématisé l’installation électrique d’une maison. La ligne de la senelec arrive au compteur de l’habitation. Le fil neutre est relié à la terre(T).

Le fil neutre et le fil de phase relient le compteur au disjoncteur D.

Du disjoncteur partent plusieurs lignes de distribution qui passent par le tableau de répartition R. Ces lignes sont branchées en dérivation sur la ligne d’arrivée ; chacune d’elles est protégée par un fusible F obligatoirement placé sur le fil de phase.

Sur chaque ligne de répartition sont branchés, toujours en dérivation, des prises de courant, des appareils ménagers, des lampes…

 II-4   ETUDE D’UN EXEMPLE DE CIRCUIT :L’INSTALLATION ELECTRIQUE D’UNE

MAISON

(voir document annexe)

10mn

5mn

? Présentation du tube de

Crookes

Un tube de Crookes est une ampoule dans laquelle on a fait un vide assez poussé.

Ce tube contient deux tiges métalliques A et C appelées électrodes ; sur C est fixé un petit disque.

Les électrodes sont reliées à un générateur (de haute tension) ; l’électrode C  à la borne négative et l’anode A à la borne positive.

Face à l’électrode C, le verre s’illumine. Si le tube contient un écran fluorescent placé longitudinalement, une trace lumineuse apparait sur celui-ci.

L’électrode C émet desélectrons qui se propagent en ligne droite dans le vide de l’ampoule.

Le choc des électrons sur le verre ou sur la peinture fluorescente provoque une émission de lumière qui permet de les visualiser.

Ces électrons en mouvement constituent un faisceaud’électrons.

?Faire le schéma du tube de

Crookes au tableau

III-3  L’EFFET MAGNETIQUE

Observation :

? l’aiguille qui était parallèle au fil dévie

Interprétation :

? la déviation de l’aiguille aimantée correspond à l’effet magnétique, on l’utilise en électricité pour la fabrication d’appareils de mesure à aiguille.

IV   NATURE DU COURANT ELECTRIQUE

IV-1   CONDUCTEURS   METALLIQUES

      IV-1-a EXPERIENCE DU TUBE DECROOKES : déviation d’un faisceaud’électrons par action magnétique

Figure 13

Grâce au tube de Crookes, on peut extraire des électrons d’une électrode métallique et de les projeter en un faisceau.

10mn

? Présentation d’une boussoleet d’un aimant usuel

Une boussole est constituée par une aiguille aimantée.

L’extrémité qui indique le pole nord magnétique est appelée pole nord, l’autre pole sud.

Un aimant usuel possède deux pôles :

? un pole nord qui repousse le pole nord de la boussole ;

?un pole sud qui attire le pole nord de la boussole.

. 

Observations

?lorsqu’on approche le pole sud d’un aimant du faisceau d’électrons d’un tube de Crookes, le faisceau est dévié.

?lorsqu’on retourne l’aimant ; la déviation du faisceau est opposée.

Figure 14

Figure 15

5mn

sud de l’aimant vers l’avant), le fil AB est repoussé vers la droite quand le courant passe.

?ouvrons l’interrupteur : l’aimant est sans action sur le fil AB lorsque le courant électrique ne passe pas.

Interprétations

?un aimant agit sur des porteurs de charge en mouvement, donc on peut penser que des porteurs de charge circulent dans le fil AB. 

Conclusion :

Les seuls porteurs de charge non liés étant des électrons, nous sommes conduits à penser que ceux-ci sont déviés par l’aimant ; ne pouvant pas sortir du fil de cuivre, ils lui transmettent l’action qu’ils subissent.

observations

?Pour une même position de l’aimant (figures 15 et 17), la déviation du faisceau d’électrons dans le tube de Crookes et celle du fil AB se font dans le même sens.

Interprétation

Nous pouvons donc conclure qu’un courant d’électrons circule dans le fil de A vers B.

Dans les autres éléments métalliques du circuit, les électrons porteurs de charges négatives, circulent en sortant du pole négatif du générateur pour rejoindre, à travers le circuit conducteur, le pole positif du générateur.

Observation

?si nous inversons les branchements aux pôles du générateur, l’aimant conservant la même position, le fil AB subit

.

Dans un métal, le courant se traduit par un déplacement ordonné d’électrons

  IV-1-d               SENS    CONVENTIONNEL

COURANT ELECTRIQUE

DU

5mn

une déviation au sens opposé, comme le faisceau d’électrons du tube de Crookes retourné (C en bas, A en haut).

Interprétation :

?le déplacement des électrons a changé de sens. Ceux-ci circulent dans le fil AB de B vers A, mais sortent toujours du pole négatif du générateur.

Au sens de déplacement des électrons est attaché un sens conventionnel du courant électrique, fixé par Ampère, il est opposé à celui des électrons.

?présentation du matériel

•    Interrupteur

•    générateur

•    milliampèremètre

•    deux tiges en cuivre

•    eau distillée

•    cristaux              de                sulfate de cuivre

Dans un circuit électrique, le courant sort par convention par la borne + du générateur et entre par la borne ?.

Dans une chaine conductrice métallique, ce courant est un déplacement d’électrons dans le sens opposé au sens conventionnel.   

IV-2 COURANT ELECTRIQUE DANS LES

SOLUTIONS

 IV-2-a          EXEMPLE          DE          SOLUTION

CONDUCTRICE : LE SULFATE DE CUIVRE

?expérience

On réalise le circuit suivant

Figure 18

Question :

Du cuivre se dépose sur la cathode, et du cuivre disparait à l’anode.

S’agit-il d’un simple transport de cuivre d’une électrode sur l’autre

Première étape :

Le récipient contient de l’eau distillée. 

Le courant électrique est très faible lorsqu’on ferme l’interrupteur.

Interprétation :

L’eau distillée est mauvaise conductrice de l’électricité.

Deuxième étape :

On ajoute quelques cristaux de sulfate de cuivre dans cette eau distillée.

Après dissolution, la solution est bleue et le courant électrique à travers le circuit est beaucoup plus intense.

Interprétation :

La           solution               de           sulfate de                 cuivre   est conductrice.

       IV-2-b ELECTROLYSE DE LA SOLUTION

DE SULFATE DE CUIVRE

Poursuivons l’expérience précédente au bout de quelques minutes.

Observations :

?on observe un dépôt de cuivre rouge orangé sur l’électrode reliée à la borne négative du générateur ;

?l’électrode reliée à la borne positive est rongée ;

?la solution n’a pas changé de couleur.

Figure 19

10mn

ou d’un autre phénomène ?

L’expérience suivante va nous aider à comprendre.

Montage

Utilisons une cathode en graphite et une anode en cuivre. Séparons les zones autour des deux électrodes par un vase poreux. Ce vase contient la solution de sulfate de cuivre dans laquelle plonge l’électrode en graphite. L’électrode en cuivre est placée dans l’autre compartiment qui contient une solution conductrice incolore, par exemple une solution d’acide sulfurique très diluée.

Observations :

?quand         l’interrupteur         est

ouvert, rien ne se produit,

?lorsqu’il est fermé, l’aiguille dévie,

?au bout de quelques minutes, on observe :

•    un dépôt de cuivre sur l’électrode en graphite (cathode)

•    une coloration bleue autour de l’électrode en cuivre qui est rongée

•    une teinte plus pale de la solution de sulfate de cuivre placée dans le vase poreux.

Interprétations :

? le vase poreux permet donc le passage du courant électrique.

? le cuivre qui se dépose sur l’électrode en graphite ne peut provenir que de la solution de sulfate de cuivre contenue dans le vase poreux. Cette solution ne contient pas d’atomes de cuivre,

Interprétation :

•     le courant électrique traversant la solution               conductrice       produit                 des réactions chimiques aux électrodes. Remarque : l’ensemble de ces réactions caractérisent l’électrolyse.

IV-2-c  LESTRANSFORMATIONS

DU CUIVRE

Figure 20

10mn

mais des ions cuivre.

L’ion cuivre provient d’un atome de cuivre qui a perdu deux électrons (deux charges négatives). L’atome de cuivre est neutre. L’ion cuivre porte donc deux charges positives non compensées ; on le note Cu²⁺. Les ions cuivre donnent à la solution de sulfate de cuivre sa couleur bleue.

Comment les ionscuivre se transformentils en atomes de cuivresur la cathode engraphite ?

Les ions positifs Cu²⁺ sont attirés par la cathode en graphite reliée à la borne négative du générateur. Lorsqu’un de ces ions touche cette électrode, il se combine à deux électrons pour donner un atome de cuivre neutre.

A la cathode

On schématise la réaction chimique qui a lieu au niveau de cette électrode par l’équation :

Cu²⁺      + 2e-                      Cu    

Les ions cuivre disparaissent autour de l’électrode en graphite, la solution de sulfate de cuivre devient plus pale.

D’où provient lacoloration bleue auvoisinage de l’anode encuivre ?

Elle due à des ions cuivre Cu²⁺. Ces ions qui n’étaient pas dans la solution incolore d’acide sulfurique, ne peuvent provenir que de l’électrode en cuivre. Des atomes de cuivre de cette

5mn

électrode perdent donc deux électrons pour se transformer en ion Cu²⁺ selon l’équation : 

Cu                        Cu²⁺      +    2e-

Les électrons libérés partent vers la borne + du générateur.

A l’anode :

On schématise la réaction chimique qui a lieu par l’équation :

Cu                      Cu²⁺ +    2e-

Protocole expérimental

Introduisons dans un tube en U une solution aqueuse de

bichromate de potassium     (2K⁺  + Cr₂O₇^2-) et de sulfate de cuivre

II (Cu²⁺  +  SO₄^2-).

Versons lentement, de part et d’autre, une solution conductrice incolore afin d’observer la migration des ions. Relions les électrodes de graphite à un générateur.

Remarque :

Les ions bichromates, dans l’eau, sont orangés ; les ions Cu²⁺ sont bleus en présence d’eau.

Les ions sulfates et potassium sont incolores.

Observations :

Les anions orangés Cr₂O₇^2- se dirigent vers l’anode tandis que les cations bleus Cu²⁺ vont vers la cathode.

Ces phénomènes s’inversent si les branchements aux bornes du générateur sont inversés.

Lorsque le courant passe dans une solution de sulfate de cuivre, des réactions chimiques se produisent aux électrodes ; c’est le phénomène d’électrolyse.

Les atomes de cuivre de l’anode (électrode d’entrée du courant) se transforment en ions cuivre Cu²⁺ selon la réaction :

Cu                 Cu²⁺     + 2e-   

Les ions Cu²⁺ présents dans la solution se transforment en atomes de cuivre sur la cathode, selon la réaction ;

Cu²⁺     + 2e-                   Cu   .

IV-2-d MISE EN EVIDENCE DIRECTE DE LA

MIGRATION DES IONS

Conclusion : Dans un électrolyte, le courant électrique se traduit par la double migration des ions de la solution qui sont les porteurs de charge.

Les cations, chargés positivement, circulent dans le sens conventionnel du courant ; les anions, chargés négativement, circulent dans le sens inverse.

Aucun électron ne traverse la solution ;  ceux-ci circulent dans le circuit métallique extérieur à l’électrolyseur, en sens inverse du courant, partant de l’anode A pour arriver sur la cathode C.

10mn

V- DANGERS ET MESURES DE SECURITE     V-1  DANGERS

     V-1-a DANGER POUR LES PERSONNES :

l’électrocution

Le corps humain est mauvais conducteur. Cependant, l’intensité qui le traverse peut atteindre une valeur dangereuse.

      V-1-b DANGER POUR LES BIENS :l’incendie  un court-circuit se produit quand la phase entre en contact avec le neutre ou avec la terre. La brusque augmentation d’intensité dans les conducteurs peut les porter à l’incandescence, et provoquer un incendie.

 Si un trop grand nombre d’appareils électriques sont branchés sur la même prise, l’intensité dans les fils d’alimentation devient trop grande : on dit qu’il y a surintensité. L’isolant peut se détériorer par échauffement, et provoquer un court-circuit.

V-2  MESURES DE SECURITE

     V-2-a PROTECTION DESPERSONNES

La prise de terre : la mise à la terre ou prise de terre consiste à connecter les carcasses métalliques des appareils à la terre, par l’intermédiaire d’un câble dont l’extrémité est soudée à un pieu ou  à une grille enfouie dans le sol. Si un contact accidentel se produit entre un fil de phase et la carcasse, la prise de terre évacue vers le sol une partie du courant.

Si la foudre s’abat sur les fils électriques, la prise de terre permet aux charges électriques de s’évacuer vers le sol.

Le disjoncteur différentiel : la prise de terre n’est une protection efficace que parce qu’elle est complétée par l’installation d’un disjoncteur différentiel : lorsqu’un courant de fuite accidentel se produit, il apparait une différence entre l’intensité dans le fil de phase et l’intensité dans le fil neutre. Dés que le disjoncteur différentiel détecte cette différence, il ouvre le circuit général pour

limiter la durée de l’incident.

       V-2-b   PROTECTION DES MATERIELS

Le fusible :

Le fusible, ou coupe-circuit à fusible, fond et ouvre le circuit si l’intensité qui le traverse est supérieure à une certaine valeur : c’est le calibre du fusible que l’on choisit en fonction de l’usage de la ligne. Les fusibles doivent être installés sur les fils de phase au départ des lignes.

Le disjoncteur à maximum de courant :

Il suit immédiatement le compteur électrique, en tête de l’installation, et permet de couper le passage du courant électrique dans l’installation électrique :

?manuellement, pour intervenir sur le circuit dans le cas d’une réparation ;

?automatiquement, si, par suite d’une surcharge de la ligne ou d’un court-circuit, l’intensité du courant dépasse la valeur maximale permise (intensité de rupture).