2 · Electricity

L'énergie que vous ne pouvez pas voir

Appuyez sur un interrupteur et une pièce s'éclaire. Entre la centrale électrique et la lampe se trouve tout ce qui est abordé dans cette section : comment le câblage domestique vous met à l'abri des dangers, comment la tension fait circuler le courant dans les circuits, et — (P) — comment le frottement d'électrons d'une surface à une autre génère des charges qui attirent, repoussent et parfois étincellent.

Physique Edexcel International GCSE 4PH1, Section 2 (énoncés 2.1–2.28P). Unités : ampère (A), coulomb (C), joule (J), ohm (Ω), volt (V), watt (W). Les énoncés suffixés P constituent l'extension exclusive Physique, évaluée lors de l'épreuve 2P.

Électricité du secteur

L'électricité du secteur est un courant alternatif (c.a.) — le sens change plusieurs fois par seconde ; une pile fournit un courant continu (c.c.) — dans un seul sens uniquement.

Sécurité : isolation des fils ; double isolation (boîtier plastique, aucune terre nécessaire) ; mise à la terre (chemin à faible résistance pour faire fondre le fusible en cas de défaut) ; fusibles et disjoncteurs (fondent ou déclenchent en cas de courant excessif, protégeant câblages et personnes). Le courant dans une résistance transfère l'énergie électrique vers l'énergie thermique — c'est le principe des bouilloires et radiateurs, et la raison pour laquelle les calibres des fusibles sont importants :

Exemple résolu (choix du fusible). Un chauffage de 230 V, 1.15 kW absorbe $I = P/V = 1150/230 = 5$ A — installer un fusible de 13 A (rating standard supérieur au courant) ; un fusible de 3 A fondrait lors d'un usage normal.

Circuits

En série convient aux chaînes (interrupteurs, ampèremètres, guirlandes lumineuses) — même courant partout, tensions s'additionnent, et un seul défaut interrompt tout. En parallèle convient à l'éclairage domestique — chaque lampe reçoit la tension d'alimentation complète, fonctionne indépendamment, et les courants s'additionnent aux jonctions (la charge est conservée à une jonction).

Le courant est un flux d'électrons chargés négativement dans les métaux. La tension est l'énergie transférée par unité de charge (1 V = 1 J/C). Deux résistances en série : $R = R_1 + R_2$ ; en parallèle, la résistance totale est inférieure à chacune d'elles prise séparément.

Exemple résolu (charge et énergie). Un chargeur de téléphone délivre 2.0 A sous 5.0 V pendant 30 minutes. Temps en secondes : $t = 30 \times 60 = 1800$ s. Charge : $Q = It = 2.0 \times 1800 = 3600$ C. Énergie : $E = QV = 3600 \times 5.0 = 18\,000$ J. La même réponse s'obtient via $E = IVt = 2.0 \times 5.0 \times 1800$.

Caractéristiques I–V : un fil ohmique à température constante donne une droite passant par l'origine (résistance constante) ; une lampe à filament courbe car le chauffage augmente sa résistance ; un diode ne conduit que dans un seul sens. LDRs : la résistance diminue quand la lumière augmente. Thermistances : la résistance diminue quand la température monte (ou augmente quand elle refroidit — utilisées comme capteurs de température). Les lampes et les DEL indiquent le courant.

Exemple résolu (un capteur de température). Une thermistance et une résistance fixe de 4.0 kΩ sont en série sur une alimentation de 12 V. Un voltmètre mesure la tension aux bornes de la thermistance.

• Chambre chaude, thermistance 2.0 kΩ : total $R = 6.0$ kΩ, donc $I = 12 \div 6000 = 0.0020$ A. Tension aux bornes de la thermistance $= IR = 0.0020 \times 2000 = 4.0$ V.
• Chambre froide, thermistance 8.0 kΩ : total $R = 12$ kΩ, donc $I = 0.0010$ A. Tension aux bornes de la thermistance $= 0.0010 \times 8000 = 8.0$ V.

Plus froid signifie une résistance plus élevée pour la thermistance, donc elle absorbe une plus grande part de la tension de 12 V. La lecture du voltmètre peut allumer un radiateur quand elle dépasse une valeur préréglée. Vérification : dans chaque cas, les deux tensions s'additionnent à 12 V ($4.0 + 8.0$ et $8.0 + 4.0$).

Exercice résolu. Deux résistances, 4 Ω et 6 Ω, en série sous 10 V : totale 10 Ω, $I = 10/10 = 1$ A ; tensions 4 V et 6 V. En parallèle sous 10 V : chaque branche tire 10/4 = 2.5 A et 10/6 ≈ 1.67 A — total ≈ 4.17 A, résistance équivalente ≈ 2.4 Ω (inférieure à chacune).

Charge électrique (P)

Conducteurs (métaux) permettent le passage du courant ; isolants (plastiques) ne le permettent pas.

Frotter un isolant transfère des électrons : celui qui les perd devient positif, celui qui les gagne négatif — jamais de protons en mouvement. Les charges opposées s'attirent ; les charges identiques se repoussent. Une tige chargée attire de petits morceaux de papier neutres car elle induit une séparation de charge. Dangers : étincelles lors du ravitaillement d'avions et de camions-citernes — les liaisons de terre évacuent la charge en toute sécurité. Utilisations : les photocopieuses et imprimantes à jet d'encre orientent le toner ou les gouttelettes chargés.

Erreurs courantes

• Laisser le temps en minutes ou heures dans $Q = It$ ou $E = IVt$. Utiliser des secondes.
• Dire que le courant est utilisé par une lampe. Dans un circuit en série, le courant est identique partout ; c'est l'énergie qui est transférée.
• Ajouter des résistances en parallèle. La résistance combinée d'une paire en parallèle est inférieure à la plus petite d'entre elles.
• Choisir une intensité nominale de fusible égale ou légèrement inférieure au courant de fonctionnement. Elle doit être supérieure au courant de fonctionnement, sinon elle fondrait lors d'un usage normal.
• Dire qu'une LDR voit sa résistance augmenter sous lumière vive, ou qu'une thermistance voit la sienne augmenter quand il fait chaud. Les deux diminuent : plus de lumière ou plus de chaleur signifie une résistance plus faible.
• (P) Dire que des charges positives se déplacent lorsqu'un isolant est frotté. Seuls les électrons sont transférés.

Vérifiez-vous

1. Énoncez la différence entre le courant alternatif (c.a.) et le courant continu (c.c.) et donnez une source pour chacun.
2. Expliquez comment la mise à la terre et le fusible travaillent ensemble pour protéger un utilisateur.
3. Un bouilloire de 230 V est calibrée à 2.0 kW. Calculez le courant et le fusible le plus approprié.
4. Énoncez deux raisons pour lesquelles l'éclairage domestique est câblé en parallèle.
5. Décrivez les formes de la courbe I–U pour un fil, une lampe à incandescence et une diode.
6. Que se passe-t-il avec la résistance d'une LDR dans une lumière vive ?
7. Définissez la tension en termes d'énergie et de charge.
8. Calculez la charge passant lorsque 2 A circulent pendant 30 s.
9. (P) Expliquez comment frotter une tige de polyéthylène avec un tissu la rend négative.
10. (P) Citez un danger et une utilisation de la charge électrostatique.

Réponses : 1 Le c.a. inverse sa direction de manière répétée — le secteur ; le c.c. circule dans un seul sens — une pile ou une batterie ; 2 Le fil de terre offre un chemin de faible résistance, donc le fort courant de défaut s'écoule vers la terre et fait fondre le fusible, coupant l'alimentation avant qu'un utilisateur ne touche la carcasse sous tension ; 3 $I = 2000/230 = 8.7$ A — un fusible de 13 A ; 4 chaque lampe reçoit la pleine tension du secteur ; si une lampe grille, les autres continuent de fonctionner (et les interrupteurs contrôlent les lampes indépendamment) ; 5 droite passant par l'origine ; courbe en S (la pente diminue au fur et à mesure qu'elle chauffe) ; zéro jusqu'à un seuil directif puis raide (un seul sens) ; 6 elle diminue ; 7 la tension est l'énergie transférée par unité de charge (1 volt = 1 joule par coulomb) ; 8 $Q = 2 \times 30 = 60$ C ; 9 (P) Le frottement transfère des électrons du tissu vers la tige — la tige gagne des électrons et devient négative, le tissu devient positif ; 10 (P) Danger — étincelles lors du ravitaillement d'avions/camions-citernes ; Utilisation — photocopieuse ou imprimante à jet d'encre.