c - tension electrique

C - TENSION ELECTRIQUE
C - I - ENERGIE POTENTIELLE ELECTRIQUE
L'énergie potentielle est une énergie qui est en réserve, qui n'a pas encore
été utilisée ou dépensée pour effectuer un travail.
L'énergie potentielle, comme toute autre énergie, se mesure dans le
système international en joules (symbole : J).
D'une façon générale, pour qu'un système "emmagasine" de l'énergie, il faut que par
une action, on lui apporte cette énergie.
Exemple : Avant de tirer une flèche on bande un arc sinon la flèche lâchée tombe
simplement. On dit donc que l'arc bandé, avant de lâcher la corde, possède de l'énergie
potentielle et le travail qu'il peut ensuite effectuer est celui de lancer la flèche au loin.
Pour faire ce travail, il a libéré (perdu) de l'énergie. On dit que pour l'arc, la corde tendue
correspond à un état (un niveau) d'énergie potentielle et la corde détendue correspond à un
état plus faible d'énergie potentielle.
Les lois de la nature nous montrent que les systèmes, quels qu'ils soient,
lorsqu'ils sont laissés libres d'évoluer, ont toujours tendance à évoluer
naturellement vers un état (ou un niveau) d'énergie potentielle minimale.
Dans le cas des charges électriques, la façon de faire varier leur énergie potentielle
est de les mettre en présence les unes des autres. Si elles sont libres, elles vont
alors soient se repousser, soit s'attirer selon leur signe, de façon à se positionner les
unes par rapport aux autres dans un état d'énergie le plus bas possible.
Ces mouvements d'attraction ou de répulsion vont donc correspondre à la recherche
d'un état d'énergie potentielle minimale.
L'apparition d'un courant électrique dans un conducteur est l'une des expressions de
cette loi naturelle : si les charges électriques de même signe se mettent à se
déplacer toutes dans un même sens, c'est parce qu'elles se dirigent vers un lieu où
leur état d'énergie est plus bas et ainsi elles libèrent de l'énergie.
Dans un conducteur, les charges électriques libres possèdent donc de
l'énergie potentielle électrique et elles évoluent naturellement vers des
états d'énergie les plus bas possibles. L'énergie potentielle électrique
libérée se manifestera toujours sous forme de chaleur mais aussi selon
les cas sous une autre forme : chimique, mécanique, lumineuse …
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C - II - POTENTIEL ELECTRIQUE
On appelle potentiel électrique V d'un point d'un conducteur, l'énergie
potentielle électrique EP que posséderait en ce point une charge
électrique unité de 1 C.
Le potentiel électrique représente une énergie électrique par quantité de charge :
Une quantité de charges électriques totale ∆Q en un point de potentiel V
possède donc une énergie potentielle électrique EP telle que :
EP = ∆Q . V
V=
EP
∆Q
Dans le système international d'unités, l'unité de mesure des potentiels
est le volt (symbole : V) qui correspond au joule par coulomb :
1 V = 1 J . C-1
Il ne peut donc y avoir circulation naturelle de charges dans un conducteur, c’est-àdire de courant électrique, que s’il y a une différence de potentiel entre deux
extrémités de ce conducteur. On dit aussi qu'un conducteur non parcouru par un
courant est en équilibre électrique.
Remarque : la charge totale ∆Q est ici considérée avec son signe, le potentiel V et l'énergie
potentielle EP sont donc aussi des grandeurs algébriques positives ou négatives.
Pour voir leur énergie diminuer, les charges électriques positives auront
naturellement tendance à se diriger vers des potentiels de plus en plus
bas. A l'inverse, des charges électriques négatives auront tendance à se
diriger vers des potentiels de plus en plus grands.
Par contre s'il n'y a pas de courant dans un conducteur, c'est qu'en tout
point de ce conducteur le potentiel est le même.
Exercice d'application C - 1
Un fil de cuivre a un potentiel de 3 V à une extrémité A et de 3,005 V à l'autre B en
étant parcouru par un courant de 50 mA.
Une solution d'acide sulfurique H2SO4 est soumise aux mêmes conditions dans un
électrolyseur.
Quels sont le sens de déplacement des charges, le sens du courant et le nombre de
charges en déplacement par minute ?
1) 50 mA correspondent à 0,05 A ou 0,05 C par seconde ou 3 C par minute.
2) Chaque charge se déplace vers une extrémité où pour elle l'énergie potentielle est la
plus faible.
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3) Le sens du courant est donné par le sens de déplacement des charges positives et les
charges négatives se déplacent en sens inverse.
3,005 V
3V
3V
A
e-
A
3,005 V
I
H
B
+
I
B
SO4
−−
Pour les électrons
Pour les ions H +
Pour les ions SO4− −
EPA = - e VA > EPB = - e VB EPA = +e VA < EPB = + e VB EPA = - 2e VA > EPB = - 2e VB
n=
3
1,6.10
−19
= 1,875 .10 19
n=
3
1,6.10
−19
= 1,875 .10 19
n=
3
2 × 1,6.10 −19
= 0,9375 .10 19
Il y a deux fois plus d'ions H+ qui se déplacent que d'ions SO4--. Mais il y a la même charge
totale de ± 3 C qui se déplace dans un sens ou dans l'autre.
C - III - LA MASSE ET LA TERRE
Dans l'absolu nous ne savons pas mesurer l'énergie que possède une
charge électrique, nous ne savons mesurer que des variations de son
énergie.
Analogie : De la même façon nous ne pouvons pas définir dans l'absolu l'altitude d'un point
mais uniquement sa différence de hauteur par rapport à un autre point : il n'y a pas " d'exacte
altitude zéro " puisque même la surface des océans n'est pas uniforme et la terre n'est pas
parfaitement ronde.
Cependant nous disons que l'altitude du Mont Blanc est 4807 mètres parce que nous avons
pris comme référence d'altitude le niveau de la mer sur une côte française. Et par rapport à
cette altitude zéro de référence, il existe aussi des altitudes négatives qui mesurent la
profondeur du sol océanique.
Nous ne savons donc mesurer que des différences de potentiel électrique
et lorsqu'on parle du potentiel (négatif ou positif) en un point c'est qu'un
autre point à été choisi comme référence au potentiel nul.
Dans le cas des appareils électriques, la référence à un potentiel nul est le
potentiel auquel se trouve sa carcasse. C'est ce qu'on nomme la masse
de l'appareil.
La prise qui alimente ces appareils en énergie électrique permet de relier
directement cette carcasse à la terre, par l'intermédiaire d'un câble
conducteur enfoncé dans le sol : le fil de terre.
De cette façon, il n'y a pas de différence de potentiel entre cette carcasse
et le sol et s'il y en avait une à cause d'un incident, le courant circulerait
par ce fil de liaison et non au travers du corps de la personne qui
toucherait l'appareil.
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C - IV - DIFFERENCE DE POTENTIEL ELECTRIQUE OU TENSION
On appelle tension UAB entre deux points A et B la différence de potentiel
entre ces deux points, avec la convention d'écriture :
UAB = VA - VB
Cette définition permet d'écrire que :
UBA = VB - VA = - UAB
Exemple : les bornes d'une pile plate du commerce dite de 4,5 V sont repérables par leur
dimension et la notation d'un signe + et d'un signe -. Ces signes indiquent simplement que le
potentiel de la borne + est plus grand que celui de sa borne - (et non que la borne +
porte des charges positives).
Donc, si A est sa borne + et B sa borne - , VA > VB , et on en déduit que :
UAB = 4,5 V
et
UBA = - 4,5 V
Les appareils de mesure des tensions sont des voltmètres.
C - V - CONVENTION DE REPRESENTATION SUR UN SCHEMA
La tension UAB entre les points A et B d'un schéma de circuit électrique se
représente par un vecteur pointant sur A et parallèle au schéma (attention,
c'est le contraire en mathématiques).
Le vecteur UBA sera donc le vecteur de sens inverse.
UBA
A
B
UAB
C - VI - GENERATEUR
Dans un circuit électrique, pour introduire une différence de potentiel et créer le
passage d'un courant il est nécessaire qu'il y ait un générateur. Sans lui, il ne peut
pas y avoir de circuits électriques.
Les générateurs sont des sources d'électricité qui
naturellement entre leurs deux bornes une tension électrique.
possèdent
Exemple : les piles achetées dans le commerce sont des générateurs et les réseaux de
distribution électrique comme EDF relient nos habitations aux générateurs des centrales.
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Pour un générateur, imposer une tension entre ses bornes de sortie c'est être
capable de fournir de l'énergie.
En effet, comme il a été vu précédemment, les charges électriques circulent
naturellement à l'extérieur du générateur pour perdre de l'énergie, mais le
générateur en contrepartie libère de nouvelles charges pour alimenter la circulation
du courant et fournir ainsi de l'énergie au circuit.
Exemple : soit un générateur dont la borne A a un potentiel plus élevé que la borne B.
A
Générateur
B
VA > VB
I
A l'extérieur du générateur; les électrons se dirigent vers la borne A de plus haut potentiel
et le courant I circule de A vers B.
Mais le générateur va libérer au fur et à mesure de nouveaux électrons et le courant y
circuler donc à l'intérieur de B vers A.
Les générateurs fournissent de l'énergie électrique aux circuits qu'ils
alimentent en entretenant un courant sortant de leur borne au potentiel le
plus élevé.
Exercice d'application C - 2
La dynamo d'une bicyclette est un générateur qui alimente les lampes avant et arrière.
Deux fils sont issus d'une même borne de sortie de la dynamo, l’un est relié à une borne
de la lampe avant, l'autre à une borne de la lampe arrière. La seconde sortie du
générateur est reliée au cadre de la bicyclette.
Quelle borne de sortie de la dynamo est reliée au cadre ? Faire le schéma de ce circuit en
faisant apparaître les courants et les vecteurs tension positive.
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1) Dans ce circuit, le cadre représente la masse, c'est-à-dire la référence de potentiel
nul. Pour la dynamo, ce sera donc la borne de plus faible potentiel qui est reliée au
cadre.
2) Pour que le circuit fonctionne, il doit être fermé, donc les lampes ont elles aussi leur
deuxième borne reliée au cadre de la bicyclette.
Vous pouvez faire l'application directe n° 4 que vous
trouverez dans le document « I - Les exercices et les corrigés » à
la rubrique : Ex-E-I-C
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