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Électricité et magnétisme

Physique IGCSE · Sujet 4

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31:58

Électricité et magnétisme

Allumez un interrupteur et une lumière s'allume. Tenez un aimant près du fer et il attire. Ces deux forces — électricité et magnétisme — semblent séparées, mais elles sont profondément…

Narration en anglais · Sous-titres anglais + 中文 incrustés

4.1

Magnétisme

Programme
Fondamental Supplémentaire
1 Décrire les forces entre pôles magnétiques et entre aimants et matériaux magnétiques, y compris l'utilisation des termes pôle nord (pôle N), pôle sud (pôle S), attraction et répulsion, aimanté et non aimanté 10 Expliquer que les forces magnétiques résultent d'interactions entre champs magnétiques
2 Décrire le magnétisme induit
3 Énoncer les différences entre les propriétés des aimants temporaires (en fer doux) et les propriétés des aimants permanents (en acier)
4 Énoncer la différence entre les matériaux magnétiques et non magnétiques
5 Décrire un champ magnétique comme une région dans laquelle un pôle magnétique subit une force
6 Tracer le motif et la direction des lignes de champ magnétique autour d'un aimant bar 11 Savoir que la force relative d'un champ magnétique est représentée par l'espacement des lignes de champ magnétique
7 Indiquer que la direction d'un champ magnétique en un point est la direction de la force exercée sur le pôle N d'un aimant placé à ce point
8 Décrire le tracé des lignes de champ magnétique avec une boussole ou du fer à repousser et l'utilisation d'une boussole pour déterminer la direction du champ magnétique
9 Décrire les utilisations des aimants permanents et des électroaimants

Source : Programme Cambridge International

Un aimant 磁体 peut attirer certains métaux. Tout aimant possède deux extrémités appelées pôles 磁极 : un pôle nord 北极 (pôle N) et un pôle sud 南极 (pôle S).

Deux aimants : N face à S s'attirent ; N face à N se repoussent
Pôles identiques se repoussent ; pôles différents s'attirent

La règle pour deux pôles est similaire à celle des charges :

  • Les pôles identiques (N et N, ou S et S) se repoussent 排斥 (s'écartent) : c'est la repulsion 排斥力.
  • Les pôles différents (N et S) s'attirent 吸引 (se rapprochent) : c'est l'attraction 吸引力.

Un aimant attire un matériau magnétique 磁性材料, comme le fer, l'acier, le cobalt et le nickel. D'autres matériaux (cuivre, plastique, bois) sont non magnétiques et ne ressentent aucune force.

Aimantation induite

Placer un morceau de fer près ou en contact avec un aimant rend le fer lui-même magnétique. C'est l'aimantation induite 感应磁性. L'extrémité du fer la plus proche de l'aimant acquiert le pôle opposé, si les deux s'attirent alors.

Aimants temporaires et permanents

  • Le fer tendre 软铁 est facile à magnetiser 磁化 mais perd rapidement sa magnétisation. Il est utilisé pour un aimant temporaire 临时磁体.
  • L'acier 钢 est plus difficile à magnetiser mais conserve sa magnétisation. Il est utilisé pour un aimant permanent 永磁体.

Ainsi, un morceau de fer tendre non magnetisé 未磁化 est le meilleur noyau pour un électroaimant, tandis que l'acier est idéal pour un aimant en barre.

Champs magnétiques

Un champ magnétique 磁场 est une zone 区域 où un pôle magnétique subit une force. On le représente par des lignes de champ magnétique 磁场线 :

  • Les lignes partent du pôle N et entrent dans le pôle S.
  • La direction du champ en un point est la direction de la force exercée sur le pôle N d'un petit aimant-test placé à cet endroit.
  • Là où les lignes sont rapprochées, le champ est fort ; là où elles sont espacées, le champ est faible.
Un aimant en barre avec des lignes de champ s'arquant du pôle nord au pôle sud
Les lignes de champ d'un aimant en barre partent du pôle N et entrent dans le pôle S

On peut visualiser ce motif en saupoudrant des grenailles de fer 铁屑 sur du papier posé sur un aimant, ou en déplaçant une petite boussole de traçage 指南针 autour de celui-ci (l'aiguille s'aligne selon le champ).

De petites grenailles de fer sur du papier blanc formant des lignes courbes autour d'un aimant en barre rouge et bleu
Les grenailles de fer s'alignent le long des lignes de champ, montrant le motif du champ d'un aimant en barre

Utilisations des aimants

  • Aimants permanents : fermoirs de porte de réfrigérateur, aiguilles de boussole, haut-parleurs.
  • Électroaimants 电磁铁 (magnétiques uniquement tant qu'un courant circule) : grues soulevant des ferrailles, cloches électriques, relais. Un électroaimant peut être allumé/éteint et rendu plus puissant, contrairement à un aimant permanent.

Les forces magnétiques surviennent parce que les champs des deux aimants se poussent et s'attirent mutuellement.

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Rendre le champ magnétique visible

Les aiguilles d'une boussole tracent le champ de N à S ; alternez attraction et répulsion et observez tout le motif se réorganiser, avec un point neutre apparaissant pour les pôles identiques.

Vocabulaire Entrainer
Anglais Chinois Pinyin
magnet/ˈmæɡnɪt/ 磁体 cí tǐ
poles/pəʊlz/ 磁极 cí jí
north pole/nɔːθ pəʊl/ 北极 běi jí
south pole/saʊθ pəʊl/ 南极 nán jí
repel/rɪˈpel/ 排斥 pái chì
repulsion/rɪˈpʌlʃn/ 排斥力 pái chì lì
attract/əˈtrækt/ 吸引 xī yǐn
attraction/əˈtrækʃn/ 吸引力 xī yǐn lì
magnetic material/mæɡˈnetɪk məˈtɪərɪəl/ 磁性材料 cí xìng cái liào
induced magnetism/ɪnˈdjuːst ˈmæɡnɪtɪzəm/ 感应磁性 gǎn yìng cí xìng
soft iron/sɒft ˈaɪən/ 软铁 ruǎn tiě
magnetise/ˈmæɡnɪtaɪz/ 磁化 cí huà
temporary magnet/ˈtemprəri ˈmæɡnɪt/ 临时磁体 lín shí cí tǐ
steel/stiːl/ 钢 gāng
permanent magnet/ˈpɜːmənənt ˈmæɡnɪt/ 永磁体 yǒng cí tǐ
unmagnetised/ʌnˈmæɡnɪtaɪzd/ 未磁化 wèi cí huà
magnetic field/mæɡˈnetɪk fiːld/ 磁场 cí chǎng
region/ˈriːdʒn/ 区域 qū yù
magnetic field lines/mæɡˈnetɪk fiːld laɪnz/ 磁场线 cí chǎng xiàn
iron filings/ˈaɪən ˈfaɪlɪŋz/ 铁屑 tiě xiè
compass/ˈkʌmpəs/ 指南针 zhǐ nán zhēn
electromagnet/ɪˌlektrəʊˈmæɡnɪt/ 电磁铁 diàn cí tiě
electric charge/ɪˈlektrɪk tʃɑːdʒ/ 电荷 diàn hè
positive charge/ˈpɒzɪtɪv tʃɑːdʒ/ 正电荷 zhèng diàn hè
negative charge/ˈneɡətɪv tʃɑːdʒ/ 负电荷 fù diàn hè
electron/ɪˈlektrɒn/ 电子 diàn zi
charging by friction/ˈtʃɑːdʒɪŋ baɪ ˈfrɪkʃn/ 摩擦起电 mó cā qǐ diàn
conductor/kənˈdʌktə/ 导体 dǎo tǐ
insulator/ˈɪnsjuːleɪtə/ 绝缘体 jué yuán tǐ
cell/sel/ 电池 diàn chí
battery/ˈbætəri/ 电池组 diàn chí zǔ
power supply/ˈpaʊə səˈplaɪ/ 电源 diàn yuán
switch/swɪtʃ/ 开关 kāi guān
fuse/fjuːz/ 保险丝 bǎo xiǎn sī
4.2

Électricité statique

Programme

4.2.1 Charge électrique

Fondamental Supplémentaire
1 Indiquer qu'il existe des charges positives et négatives 7 Indiquer que la charge s'exprime en coulombs
2 Indiquer que les charges positives se répulsent entre elles, les charges négatives se répulsent entre elles, mais que les charges positives attirent les charges négatives 8 Décrire un champ électrique comme une région dans laquelle une charge électrique subit une force
3 Décrire des expériences simples illustrant la production de charges électrostatiques par frottement et la détection de charges électrostatiques 9 Indiquer que la direction d'un champ électrique en un point est la direction de la force exercée sur une charge positive placée à ce point
4 Expliquer que la charge des solides par frottement implique uniquement un transfert de charge négative (électrons) 10 Décrire des schémas simples de champs électriques, y compris la direction du champ : (a) autour d'une charge ponctuelle (b) autour d'une sphère conductrice chargée (c) entre deux plaques conductrices parallèles de charges opposées (les effets de bord ne seront pas examinés)
5 Décrire une expérience permettant de distinguer les conducteurs et les isolants électriques
6 Rappeler et utiliser un modèle simple d'électron pour expliquer la différence entre les conducteurs et les isolants électriques, et donner des exemples typiques

4.2.2 Courant électrique

Fondamental Supplémentaire
1 Savoir que le courant électrique est lié au flux de charge 5 Définir le courant électrique comme la charge passant par un point par unité de temps ; rappeler et utiliser l'équation $I = \frac{Q}{t}$
2 Décrire l'utilisation des ampèremètres (analogiques et numériques) avec différentes plages de mesure
3 Décrire la conduction électrique dans les métaux en termes de mouvement d'électrons libres 6 Indiquer que le courant conventionnel va du positif vers le négatif et que le flux d'électrons libres va du négatif vers le positif
4 Connaître la différence entre le courant continu (C.C.) et le courant alternatif (C.A.)

4.2.3 Force électromotrice et différence de potentiel

Fondamental Supplémentaire
1 Définir la force électromotrice (f.e.m.) comme le travail électrique effectué par une source pour déplacer une unité de charge dans un circuit complet 6 Rappeler et utiliser l'équation de la f.e.m. $E = \frac{W}{Q}$
2 Savoir que la f.e.m. s'exprime en volts (V)
3 Définir la différence de potentiel (d.p.) comme le travail effectué par une unité de charge traversant un composant 7 Rappeler et utiliser l'équation de la d.p. $V = \frac{W}{Q}$
4 Savoir que la d.p. entre deux points s'exprime en volts (V)
5 Décrire l'utilisation des voltmètres (analogiques et numériques) avec différentes plages de mesure

4.2.4 Résistance

Fondamental Supplémentaire
1 Rappeler et utiliser l'équation de la résistance $R = \frac{V}{I}$ 4 Tracer et expliquer les graphes intensité-tension pour une résistance de valeur constante, une lampe à incandescence et une diode
2 Décrire une expérience pour déterminer la résistance en utilisant un voltmètre et un ampèremètre, et effectuer les calculs appropriés
3 Énoncer qualitativement la relation entre la résistance d'un fil métallique et sa longueur ainsi que sa section transversale 5 Rappeler et utiliser la relation suivante pour un conducteur électrique métallique : (a) la résistance est directement proportionnelle à la longueur (b) la résistance est inversement proportionnelle à la section transversale

4.2.5 Énergie électrique et puissance électrique

Fondamental Supplémentaire
1 Comprendre que les circuits électriques transfèrent l'énergie depuis une source d'énergie électrique, telle qu'une pile ou le réseau secteur, vers les composants du circuit, puis vers l'environnement
2 Rappeler et utiliser l'équation de la puissance électrique $P = IV$
3 Rappeler et utiliser l'équation de l'énergie électrique $E = IVt$
4 Définir le kilowattheure (kWh) et calculer le coût d'utilisation d'appareils électriques lorsque l'unité d'énergie est le kWh

Source : Programme Cambridge International

Il existe deux types de charge électrique 电荷 : charge positive 正电荷 et charge négative 负电荷. La règle est similaire à celle des pôles — les mêmes charges se repoussent, les charges différentes s'attirent.

Une fille touchant le dôme d'un générateur Van de Graaff avec ses cheveux dressés et écartés
Chaque cheveu capte la même charge du dôme, et les charges identiques se repoussent — donc les cheveux s'écartent

Charge par friction

Lorsque vous frottez deux matériaux différents ensemble, les électrons 电子 (minuscules particules négatives) se déplacent de l'un à l'autre. C'est la charge par friction 摩擦起电.

  • Le matériau qui gagne des électrons devient négatif.
  • Le matériau qui perd des électrons devient positif.

Seuls les électrons négatifs bougent ; la charge positive reste en place. Par exemple, une baguette de plastique frottée avec un tissu devient négative car les électrons se déplacent du tissu vers la baguette, laissant le tissu positif.

Détecter une charge. Une baguette chargée ramasse de petits morceaux de papier et courbe un mince filet d'eau provenant d'un robinet. Accrocher une baguette chargée à un fil et approcher une autre baguette chargée : si les deux ont le même type de charge, la baguette suspendue s'éloigne. La répulsion est le seul test sûr pour une charge, car l'attraction se produit aussi avec les objets non chargés.

Conducteurs et isolants

  • Un conducteur 导体 (cuivre et autres métaux) permet à la charge de circuler facilement, car il possède des électrons libres mobiles.
  • Un isolant 绝缘体 (plastique, caoutchouc, verre) ne permet pas à la charge de circuler, car ses électrons ne peuvent pas bouger librement.

Pour tester un matériau, le brancher dans un circuit avec une lampe et une batterie : la lampe s'allume uniquement pour un conducteur.

Champs électriques et ions

La charge est mesurée en coulombs 库仑 (C). Un champ électrique 电场 est une zone où une charge électrique subit une force. Sa direction en un point est la direction de la force exercée sur une charge positive. Schémas simples de champs (les flèches indiquent la direction) :

  • autour d'une charge ponctuelle 点电荷 : lignes droites pointant loin d'une charge positive et vers une charge négative ;
  • autour d'une boule chargée (sphère) : identique, s'étalant uniformément tout autour ;
  • entre deux plaques parallèles portantes des charges opposées : lignes droites, régulièrement espacées, de la plaque positive vers la plaque négative.
Des lignes de champ pointant hors d'une charge positive, vers une charge négative, et descendant droit entre deux plaques chargées
Les lignes de champ électrique pointent loin d'une charge positive et vers une charge négative ; entre des plaques parallèles, le champ est uniforme

Un atome est normalement neutre. S'il perd des électrons, il devient un ion 离子 positif ; s'il gagne des électrons, il devient un ion négatif.

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Frottez un ballon et regardez-le se charger

Le frottement transfère des électrons vers le ballon, le rendant négatif — ensuite, il attire un mur neutre ou vos cheveux, mais repousse un autre ballon négatif.

Vocabulaire Entrainer
Anglais Chinois Pinyin
coulomb/ˈkuːlɒm/ 库仑 kù lún
electric field/ɪˈlektrɪk fiːld/ 电场 diàn chǎng
point charge/pɔɪnt tʃɑːdʒ/ 点电荷 diǎn diàn hè
ion/ˈaɪɒn/ 离子 lí zi
electric current/ɪˈlektrɪk ˈkʌrənt/ 电流 diàn liú
ampere/ˈæmpeə/ 安培 ān péi
ammeter/ˈæmiːtə/ 电流表 diàn liú biǎo
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4.2

Courant électrique

Un courant électrique 电流 est un flux de charge électrique. Il est mesuré en ampères 安培 (A) avec un ampèremètre 电流表, branché en série dans le circuit.

Un analogue 模拟 ampèremètre possède une aiguille qui se déplace sur une échelle ; un digital 数字 ampèremètre affiche la valeur sous forme numérique. Tous deux sont proposés avec différentes ranges 量程. Choisissez l'échelle juste au-dessus du courant maximal attendu afin d'obtenir une lecture précise : une gamme 0–1 A pour un courant d'environ 0.4 A, ou une gamme 0–100 mA pour quelques milliampères.

Le courant est la charge passant par un point chaque seconde :

$$I = \frac{Q}{t}$$

Ici $I$ est le courant (A), $Q$ est la charge (C) et $t$ est le temps (s). Réarrangé, $Q = It$.

Exemple résolu. Un courant de $3.0\ \text{A}$ traverse une lampe pendant $20\ \text{s}$. Quelle quantité de charge passe à travers ?

$$Q = It = 3.0 \times 20 = 60\ \text{C}$$

Dans un métal, le courant est un flux d'électrons libres 自由电子. Il y a deux "directions" à connaître :

  • Conventional current 常规电流 est considéré comme circulant de + à − autour de l'extérieur de la pile.
  • Les électrons libres se déplacent réellement dans l'autre sens, de − à +.

Un courant continu 直流电 (c.c.) circule toujours dans un seul sens, comme celui d'une batterie. Un courant alternatif 交流电 (c.a.) change constamment de direction plusieurs fois par seconde, comme celui du réseau électrique 市电.

Une ligne horizontale stable pour le courant continu à côté d'une onde traversant zéro pour le courant alternatif
Le courant continu est constant dans un sens ; le courant alternatif change constamment de direction, traversant zéro de nombreuses fois par seconde
Vocabulaire Entrainer
Anglais Chinois Pinyin
analogue/ˈænəlɒɡ/ 模拟 mó nǐ
digital/ˈdɪdʒɪtl/ 数字 shù zì
ranges/ˈreɪndʒɪz/ 量程 liáng chéng
free electrons/friː ɪˈlektrɒnz/ 自由电子 zì yóu diàn zi
conventional current/kənˈvenʃənl ˈkʌrənt/ 常规电流 cháng guī diàn liú
direct current/daɪˈrekt ˈkʌrənt/ 直流电 zhí liú diàn
alternating current/ˈɔːltəneɪtɪŋ ˈkʌrənt/ 交流电 jiāo liú diàn
mains supply/meɪnz səˈplaɪ/ 市电 shì diàn
4.2

F.e.m. et différence de potentiel

Une pile fournit de l'énergie 能量 aux charges qui la traversent. Deux grandeurs décrivent cela, toutes deux mesurées en volts 伏特 (V).

  • La force électromotrice 电动势 (f.e.m.) d'une source est le travail électrique qu'elle effectue pour faire circuler une charge unitaire tout autour d'un circuit 电路 complet.
  • La différence de potentiel 电势差 (d.p.) aux bornes d'un composant est le travail effectué par une charge unitaire lorsqu'elle passe à travers ce composant.

Un voltmètre 电压表 mesure la f.e.m. ou la d.p. Il est connecté en parallèle (aux bornes du composant). Comme les ampèremètres, les voltmètres sont analogiques ou numériques et ont différentes plages : choisissez la plage juste au-dessus de la plus grande tension que vous attendez.

Un circuit avec un voltmètre aux bornes de la pile indiquant la f.e.m. et un voltmètre aux bornes de la lampe indiquant la différence de potentiel
Un voltmètre aux bornes de la pile indique la f.e.m. (énergie donnée à chaque coulomb) ; un voltmètre aux bornes de la lampe indique la d.p. (énergie dissipée par chaque coulomb).

Les deux représentent le travail effectué par unité de charge :

$$E = \frac{W}{Q}, \qquad V = \frac{W}{Q}$$

où $W$ est l'énergie transférée (J) et $Q$ est la charge (C). Par exemple, si une pile effectue $120\ \text{J}$ de travail pour déplacer $60\ \text{C}$ de charge autour d'un circuit, sa f.e.m. est $120 / 60 = 2\ \text{V}$.

Vocabulaire Entrainer
Anglais Chinois Pinyin
volt/vəʊlt/ 伏特 fú tè
electromotive force/ɪˌlektrəʊˈməʊtɪv fɔːs/ 电动势 diàn dòng shì
circuit/ˈsɜːkɪt/ 电路 diàn lù
potential difference/pəˈtenʃl ˈdɪfrəns/ 电势差 diàn shì chā
voltmeter/ˈvəʊltmiːtə/ 电压表 diàn yā biǎo
resistance/rɪˈzɪstəns/ 电阻 diàn zǔ
4.2

Résistance

Résistance 电阻 mesure la difficulté qu'il y a pour que le courant circule. Une résistance plus élevée donne un courant plus faible. Elle est mesurée en ohms 欧姆 (Ω).

$$R = \frac{V}{I}$$

Mesurer la résistance. Connecter le composant en série avec une pile, un interrupteur, un ampèremètre et un résistance variable 可变电阻器, et connecter un voltmètre aux bornes du composant. Fermer l'interrupteur, lire $I$ et $V$, puis modifier la résistance variable pour obtenir plusieurs autres paires de lectures. Calculer soit $R = V/I$ pour chaque paire et prendre la moyenne, soit tracer $V$ en fonction de $I$ : pour un fil métallique à température constante, le graphique est une ligne droite passant par l'origine, et sa pente est $R$.

Exemple résolu. Une pile de $12\ \text{V}$ fait circuler un courant de $0.50\ \text{A}$ à travers une lampe. Trouver la résistance de la lampe.

$$R = \frac{V}{I} = \frac{12}{0.50} = 24\ \Omega$$

Pour un fil métallique à température constante :

  • un fil plus long a une plus grande résistance — la résistance est directement proportionnelle 成正比 à la longueur, $R \propto l$;
  • un fil plus épais a une plus petite résistance — la résistance est inversement proportionnelle 成反比 à la section transversale 横截面积, $R \propto \dfrac{1}{A}$.

Ainsi, doubler la longueur double la résistance ; doubler la section la divise par deux. (La section dépend du carré du diamètre, donc une petite variation de diamètre modifie beaucoup la résistance.)

Les courbes intensité-tension montrent comment trois composants se comportent :

Composant Forme de la courbe I-V Ce que cela indique
résistance 电阻器 (fixe) ligne droite passant par l'origine la résistance est constante, donc $I \propto V$
lampe à incandescence 灯丝灯泡 Forme en S, s'aplatissant à mesure que $V$ augmente le filament chauffe, donc sa résistance augmente
diode 二极管 courant dans un seul sens très haute résistance dans le « mauvais » sens
Trois graphiques courant-tension : une ligne droite pour une résistance, une courbe en S pour une lampe à incandescence, et une courbe à sens unique pour une diode
Une résistance donne une ligne droite ; une lampe à incandescence courbe en chauffant ; une diode ne laisse passer le courant que dans un sens
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Loi d'Ohm

V = IR

Pour un conducteur ohmique, le courant est proportionnel à la tension — la pente est 1/résistance.

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Caractéristiques I–V

Un résistor donne une ligne droite ; une lampe à incandescence et une diode non. Choisissez un composant et lisez I et R sur la courbe.

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Résistance

V = R·I

Loi d'Ohm : la tension est proportionnelle au courant — la pente est la résistance R.

Vocabulaire Entrainer
Anglais Chinois Pinyin
ohm/əʊm/ 欧姆 ōu mǔ
variable resistor/ˈveərɪəbl rɪˈzɪstə/ 可变电阻器 kě biàn diàn zǔ qì
directly proportional/daɪˈrektli prəˈpɔːʃənl/ 成正比 chéng zhèng bǐ
inversely proportional/ɪnˈvɜːsli prəˈpɔːʃənl/ 成反比 chéng fǎn bǐ
cross-sectional area/krɒs ˈsekʃənl ˈeərɪə/ 横截面积 héng jié miàn jī
diode/ˈdaɪəʊd/ 二极管 èr jí guǎn
electrical power/ɪˈlektrɪkl ˈpaʊə/ 电功率 diàn gōng lǜ
4.2

Énergie électrique et puissance

Un circuit transfère l'énergie d'une source (une pile ou le réseau) vers les composants, puis vers l'environnement (souvent sous forme de chaleur, lumière ou son).

Puissance électrique 电功率 est l'énergie transférée chaque seconde, mesurée en watts 瓦特 (W) :

$$P = IV$$

L'énergie électrique 电能 transférée pendant un temps $t$, mesurée en joules 焦耳 (J), est :

$$E = IVt$$

Exemple résolu. Un moteur de $12\ \text{V}$ absorbe un courant de $2.0\ \text{A}$. Trouver sa puissance, et l'énergie qu'il transfère en $30\ \text{s}$.

$$P = IV = 2.0 \times 12 = 24\ \text{W}$$
$$E = Pt = 24 \times 30 = 720\ \text{J}$$

Le kilowatt-heure

Les factures d'électricité domestiques utilisent une unité d'énergie plus grande, le kilowatt-heure 千瓦时 (kWh). Un kilowatt-heure est l'énergie consommée par un appareil de $1\ \text{kW}$ appareil 电器 en $1$ heure.

$$\text{energy (kWh)} = \text{power (kW)} \times \text{time (h)}$$
$$\text{cost} = \text{energy (kWh)} \times \text{price per kWh}$$

Par exemple, un chauffage 加热器 de $2\ \text{kW}$ utilisé pendant $3$ heures consomme $2 \times 3 = 6\ \text{kWh}$. Si un kWh coûte $20$ cents, le coût est $6 \times 20 = 120$ cents.

Un compteur d'électricité domestique moderne avec un affichage numérique indiquant zéro kilowatt-heures
Un compteur d'électricité domestique compte l'énergie utilisée, en kilowattheures (kWh) — c'est le nombre affiché qui correspond à ce que vous payez
Vocabulaire Entrainer
Anglais Chinois Pinyin
energy/ˈenədʒi/ 能量 néng liàng
watt/wɒt/ 瓦特 wǎ tè
electrical energy/ɪˈlektrɪkl ˈenədʒi/ 电能 diàn néng
joule/dʒuːl/ 焦耳 jiāo ěr
kilowatt-hour/ˈkɪləwɒt ˈaʊə/ 千瓦时 qiān wǎ shí
appliance/əˈplaɪəns/ 电器 diàn qì
heater/ˈhiːtə/ 加热器 jiā rè qì
4.3

Circuits

Programme

4.3.1 Schémas de circuits et composants

Fondamental Supplémentaire
1 Dessiner et interpréter des schémas de circuits contenant des piles, des batteries, des alimentations, des générateurs, des diviseurs de tension, des interrupteurs, des résistances (fixes et variables), des chauffages, des thermistances (NTC uniquement), des photorésistances (LDR), des lampes, des moteurs, des cloches, des ampèremètres, des voltmètres, des bobines d'aimantation, des transformateurs, des fusibles et des relais, et connaître le comportement de ces composants dans le circuit 2 Dessiner et interpréter des schémas de circuits contenant des diodes et des diodes électroluminescentes (DEL) et connaître le comportement de ces composants dans le circuit

4.3.2 Circuits série et parallèle

Fondamental Supplémentaire
1 Savoir que l'intensité est identique en tout point d'un circuit série 8 Rappeler et utiliser dans les calculs le fait que : (a) la somme des courants entrant dans une jonction dans un circuit parallèle est égale à la somme des courants sortant de la jonction (b) la d.p. totale aux bornes des composants d'un circuit série est égale à la somme des d.p. individuelles aux bornes de chaque composant (c) la d.p. aux bornes d'un ensemble de résistances en parallèle est la même que la d.p. aux bornes d'une seule branche de cet ensemble de résistances en parallèle
2 Savoir comment construire et utiliser des circuits série et parallèle
3 Calculer la f.e.m. combinée de plusieurs sources en série
4 Calculer la résistance combinée de deux ou plusieurs résistances en série
5 Indiquer que, pour un circuit parallèle, le courant provenant de la source est supérieur au courant dans chaque branche 9 Expliquer que la somme des courants entrant dans une jonction est égale à la somme des courants sortant de cette jonction
6 Indiquer que la résistance combinée de deux résistances en parallèle est inférieure à celle de chacune d'elles prise séparément 10 Calculer la résistance combinée de deux résistances en parallèle
7 Énumérer les avantages de la connexion de lampes en parallèle dans un circuit d'éclairage

4.3.3 Fonctionnement et utilisation des composants de circuit

Fondamental Supplémentaire
1 Savoir que la d.p. aux bornes d'un conducteur électrique augmente lorsque sa résistance augmente pour un courant constant 2 Décrire le fonctionnement d'un diviseur de tension variable
3 Rappeler et utiliser l'équation pour deux résistances utilisées comme diviseur de tension
$$\frac{R_1}{R_2} = \frac{V_1}{V_2}$$

Source : Programme Cambridge International

Composants de circuit

Vous devez connaître ces composants et leur comportement :

Composant Rôle
pile 电池 / batterie 电池组 fait circuler le courant dans le circuit (une batterie est constituée de deux piles ou plus)
alimentation électrique 电源 source de c.c. ou de c.a.
interrupteur 开关 interrompt ou ferme le circuit
résistance (fixe) offre une résistance fixe
résistance variable une résistance que vous pouvez modifier pour contrôler le courant
fusible 保险丝 fond et interrompt le circuit si le courant est trop élevé
lampe / chauffage convertit l'énergie électrique en lumière / en chaleur
thermistor 热敏电阻 sa résistance diminue quand il chauffe
photorésistance 光敏电阻 (LDR) sa résistance diminue quand la lumière devient plus intense
diode / DEL 发光二极管 (LED) ne laisse passer le courant que dans un sens ; une DEL émet aussi de la lumière
relais 继电器 un interrupteur actionné par un électroaimant (un petit courant en contrôle un grand)
moteur 电动机 convertit l'énergie électrique en mouvement
sonnerie 电铃 produit un son
transformateur 变压器 modifie l'amplitude d'une tension c.a.
Un tableau des symboles de circuit standard : pile, batterie, interrupteur, lampe, résistance, résistance variable, fusible, ampèremètre, voltmètre, diode, thermistance, LDR, DEL, moteur, générateur, alimentation c.a., diviseur de potentiel, relais, transformateur et bobine d'aimantation
Les symboles standards utilisés pour dessiner des schémas de circuits
Des rangées de petites résistances maintenues dans du ruban papier, chacune avec des bandes colorées et deux pattes filaires
De vraies résistances : les bandes colorées indiquent la valeur en ohms de chacune

Série et parallèle

Dans un circuit série 串联, les éléments forment une seule boucle :

  • le courant est le même en tout point ;
  • la tension d'alimentation est partagée entre les composants ;
  • les piles en série additionnent leurs f.e.m. (quand elles sont orientées dans le même sens) ;
  • les résistances en série s'additionnent : $R_{\text{total}} = R_1 + R_2 + \dots$

Dans un circuit parallèle 并联, les éléments sont sur des branches séparées :

  • chaque branche reçoit la pleine tension d'alimentation ;
  • le courant se divise, donc le courant provenant de la source est supérieur au courant dans n'importe quelle branche individuelle ;
  • la résistance totale 总电阻 est inférieure à la plus petite résistance individuelle.

Les lampes dans une maison sont câblées en parallèle : chacune reçoit la pleine tension, et si l'une grille, les autres restent allumées.

Un circuit série avec deux lampes dans une boucle à côté d'un circuit parallèle avec deux lampes sur des branches séparées
Dans un circuit série, les composants partagent une seule boucle ; dans un circuit parallèle, chaque lampe a sa propre branche

Pour les calculs (avec les règles ci-dessus) :

  • à un nœud 节点, le courant total entrant est égal au courant total sortant ;
  • en série, la tension d'alimentation est égale à la somme des tensions aux bornes des composants ;
  • en parallèle, la tension aux bornes de chaque branche est la même ;
  • deux résistances en parallèle se combinent selon
$$\frac{1}{R_{\text{total}}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2}$$

Exemple résolu. Une résistance de $6\ \Omega$ et une résistance de $3\ \Omega$ sont connectées en parallèle. Trouver leur résistance combinée.

$$\frac{1}{R_{\text{total}}} = \frac{1}{6} + \frac{1}{3} = \frac{1}{6} + \frac{2}{6} = \frac{3}{6} = \frac{1}{2} \quad\Rightarrow\quad R_{\text{total}} = 2\ \Omega$$

Remarquez que la résistance combinée ($2\ \Omega$) est inférieure à la plus petite des deux résistances.

Diviseurs de potentiel

Deux résistances en série partagent la tension d'alimentation. C'est un diviseur de potentiel 分压器. Pour un même courant, une plus grande résistance présente une plus grande tension à ses bornes, donc la plus grande résistance absorbe la plus grande part :

$$\frac{R_1}{R_2} = \frac{V_1}{V_2}$$

Un diviseur de potentiel variable (ou une résistance variable) permet de modifier la tension de sortie de manière continue, par exemple de $0\ \text{V}$ jusqu'à la pleine tension d'alimentation. Si vous utilisez un thermistor ou une LDR comme l'une des résistances, la tension de sortie varie avec la température ou la lumière — pratique pour allumer ou éteindre automatiquement un chauffage ou une lampe.

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Construisez le courant avec la loi d'Ohm

Augmentez la tension et les électrons accélèrent, la lampe brille plus fort ; ajoutez de la résistance et le courant diminue. I = V/R, luminosité = puissance.

Vocabulaire Entrainer
Anglais Chinois Pinyin
resistor/rɪˈzɪstə/ 电阻器 diàn zǔ qì
filament lamp/ˈfɪləmənt læmp/ 灯丝灯泡 dēng sī dēng pào
thermistor/ˈθɜːmɪstə/ 热敏电阻 rè mǐn diàn zǔ
light-dependent resistor/laɪt dɪˈpendənt rɪˈzɪstə/ 光敏电阻 guāng mǐn diàn zǔ
light-emitting diode/laɪt ɪˈmɪtɪŋ ˈdaɪəʊd/ 发光二极管 fā guāng èr jí guǎn
relay/ˈriːleɪ/ 继电器 jì diàn qì
series/ˈsɪəriːz/ 串联 chuàn lián
parallel/ˈpærəlel/ 并联 bìng lián
total resistance/ˈtəʊtl rɪˈzɪstəns/ 总电阻 zǒng diàn zǔ
junction/ˈdʒʌŋkʃn/ 节点 jié diǎn
potential divider/pəˈtenʃl dɪˈvaɪdə/ 分压器 fēn yā qì
hazard/ˈhæzəd/ 危险 wēi xiǎn
insulation/ˌɪnsjuːˈleɪʃn/ 绝缘层 jué yuán céng
overheating/ˌəʊvəˈhiːtɪŋ/ 过热 guò rè
damp/dæmp/ 潮湿 cháo shī
overloading/ˌəʊvəˈləʊdɪŋ/ 过载 guò zài
socket/ˈsɒkɪt/ 插座 chā zuò
live wire/laɪv ˈwaɪə/ 火线 huǒ xiàn
neutral wire/ˈnjuːtrəl ˈwaɪə/ 零线 líng xiàn
earth wire/ɜːθ ˈwaɪə/ 地线 dì xiàn
fuse rating/fjuːz ˈreɪtɪŋ/ 额定值 é dìng zhí
trip switch/trɪp swɪtʃ/ 跳闸开关 tiào zhá kāi guān
casing/ˈkeɪsɪŋ/ 外壳 wài ké
earthed/ɜːθt/ 接地 jiē dì
double-insulated/ˈdʌbl ˈɪnsjuːleɪtɪd/ 双重绝缘 shuāng chóng jué yuán
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4.4

Sécurité électrique

Programme
Fondamental Supplémentaire
1 Énoncer les dangers suivants : (a) isolation endommagée (b) surchauffe des câbles (c) conditions humides (d) courant excessif dû à la surcharge de prises, rallonges, prises simples et multiples lors de l'utilisation du réseau secteur
2 Savoir qu'un circuit secteur comprend un fil phase (fil de ligne), un fil neutre et un fil terre, et expliquer pourquoi un interrupteur doit être connecté au fil phase pour assurer la coupure sûre du circuit
3 Expliquer l'utilisation et le fonctionnement des disjoncteurs et des fusibles, et choisir les calibres de fusibles et les réglages de disjoncteurs appropriés
4 Expliquer pourquoi le boîtier externe d'un appareil électrique doit être soit non conducteur (double isolation), soit mis à la terre
5 Indiquer qu'un fusible sans fil de terre protège le circuit et le câblage pour un appareil à double isolation

Source : Programme Cambridge International

Une maison est alimentée par le réseau. Le réseau est dangereux s'il est mal utilisé.

Risques

Ce sont des risques 危险 (dangers) liés à l'électricité du réseau :

  • isolement 绝缘层 endommagé — des fils nus peuvent provoquer un choc ou un incendie ;
  • surchauffe 过热 des câbles — trop de courant rend un câble chaud, ce qui peut provoquer un incendie ;
  • conditions humides 潮湿 — l'eau permet au courant de passer à travers une personne, augmentant le risque de choc électrique ;
  • surcharge 过载 — brancher trop d'appareils dans une même prise 插座 tire trop de courant.

Fil de phase, neutre et terre

Un câble de réseau possède trois fils :

  • le fil de phase 火线 transporte la haute tension ;
  • le fil neutre 零line ferme le circuit à environ zéro volt ;
  • le fil de terre 地线 est un fil de sécurité relié à la masse.

Un interrupteur (et un fusible) doivent être installés dans le fil phase. Ainsi, lorsque l'interrupteur est éteint, l'appareil est déconnecté de la haute tension et est sûr au toucher.

Une prise tripolaire câblée avec le fil de terre vert/jaune en haut, le fil neutre bleu à gauche, et le fil phase brun à droite avec le fusible installé dedans
Dans une prise à trois broches, le fil de phase (marron) et le fil neutre (bleu) transportent le courant, le fil de terre (vert/jaune) est le fil de sécurité, et le fusible se trouve toujours dans le fil de phase.

Fusibles, disjoncteurs et mise à la terre

Un fusible est un fin fil qui fond si le courant devient trop important, interrompant le circuit avant que le câble ne surchauffe. Choisissez une valeur nominale du fusible 额定值 juste au-dessus du courant de fonctionnement normal — par exemple un fusible $13\ \text{A}$ pour un appareil qui utilise normalement environ $10\ \text{A}$.

Un disjoncteur 跳闸开关 (circuit breaker) remplit la même fonction mais agit plus vite et peut être réarmé au lieu d'être remplacé.

La carcase métallique 外壳 d'un appareil doit être rendue sûre de l'une des deux manières suivantes :

  • Mise à la terre 接地 : la carcase est reliée au fil de terre. Si un fil de phase touche la carcase, un grand courant s'écoule vers la terre et grille le fusible.
  • Double isolation 双重绝缘 : la carcase est en plastique, elle ne peut donc jamais devenir sous tension. Un tel appareil n'a pas besoin de fil de terre ; son fusible protège quand même le câble.
L'intérieur d'un tableau électrique domestique montrant une rangée de disjoncteurs miniatures et deux disjoncteurs différentiels
Un tableau électrique domestique : chaque MCB est un disjoncteur qui coupe son circuit lorsque le courant devient trop élevé ; le RCD (80 A, 30 mA) coupe encore plus vite s'il détecte un défaut à la terre
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Chemin de sécurité électrique

Suivez le courant de défaut et voyez comment les dispositifs de sécurité protègent les personnes.

4.5

Effets électromagnétiques

Programme

4.5.1 Induction électromagnétique

Fondamental Supplémentaire
1 Savoir qu'un conducteur se déplaçant perpendiculairement à un champ magnétique ou qu'un champ magnétique variable couplé à un conducteur peut induire une f.e.m. dans ce conducteur 4 Savoir que la direction d'une f.e.m. induite s'oppose au changement qui l'a provoquée
2 Décrire une expérience démontrant l'induction électromagnétique 5 Énoncer et utiliser les directions relatives de la force, du champ et du courant induit
3 Énoncer les facteurs affectant l'amplitude d'une f.e.m. induite

4.5.2 Le générateur C.A.

Fondamental Supplémentaire
1 Décrire une forme simple de générateur C.A. (bobine rotative ou aimant rotatif) et l'utilisation de bagues glissantes et de balais si nécessaire
2 Tracer et interpréter des graphes de f.e.m. en fonction du temps pour des générateurs C.A. simples et relier la position de la bobine du générateur aux sommets, creux et zéros de la f.e.m.

4.5.3 Effet magnétique du courant

Fondamental Supplémentaire
1 Décrire le motif et la direction du champ magnétique produit par des courants dans des fils droits et des solénoïdes 4 Énoncer la variation qualitative de l'intensité du champ magnétique autour de fils droits et de solénoïdes
2 Décrire une expérience permettant d'identifier le motif du champ magnétique (y compris la direction) produit par des courants dans des fils droits et des solénoïdes
3 Décrire comment l'effet magnétique du courant est utilisé dans les relais et les haut-parleurs, et donner des exemples d'applications 5 Décrire l'effet sur le champ magnétique autour de fils droits et de solénoïdes dû au changement de l'amplitude et de la direction du courant

4.5.4 Force sur un conducteur parcouru par un courant

Fondamental Supplémentaire
1 Décrire une expérience montrant qu'une force agit sur un conducteur parcouru par un courant dans un champ magnétique, y compris l'effet de l'inversion : (a) du courant (b) de la direction du champ 2 Rappeler et utiliser les directions relatives de la force, du champ magnétique et du courant
3 Déterminer la direction de la force exercée sur des faisceaux de particules chargées dans un champ magnétique

4.5.5 Le moteur C.C.

Fondamental Supplémentaire
1 Savoir qu'une bobine parcourue par un courant dans un champ magnétique peut subir un couple de rotation, et que ce couple est augmenté par : (a) le nombre de spires de la bobine (b) l'intensité du courant (c) l'intensité du champ magnétique 2 Décrire le fonctionnement d'un moteur électrique, y compris l'action d'un commutateur annelé coupé et des balais

4.5.6 Le transformateur

Fondamental Supplémentaire
1 Décrire la construction d'un transformateur simple à noyau de fer doux, tel que utilisé pour la transformation de tension 6 Expliquer le principe de fonctionnement d'un transformateur simple à noyau de fer
2 Utiliser les termes primaire, secondaire, élévateur et abaisseur
3 Rappeler et utiliser l'équation
$$\frac{V_p}{V_s} = \frac{N_p}{N_s}$$
où p et s se réfèrent aux primaire et secondaire
7 Rappeler et utiliser l'équation pour un rendement de 100 % dans un transformateur
$$I_p V_p = I_s V_s$$
où p et s se réfèrent aux primaire et secondaire
4 Décrire l'utilisation des transformateurs dans la transmission d'électricité haute tension
5 Énoncez les avantages de la transmission à haute tension 8 Rappelez et utilisez l'équation
$$P = I^2 R$$
pour expliquer pourquoi les pertes de puissance dans les câbles sont plus faibles lorsque la tension est plus élevée

Source : Programme Cambridge International

Le transformateur : rapport de spires
Induction électromagnétique

L'effet magnétique d'un courant

Un courant dans un fil crée un champ magnétique autour de lui.

  • Autour d'un fil droit, les lignes de champ sont des cercles autour du fil ; le champ est plus fort près du fil. Inverser le courant inverse le champ.
  • Une bobine solénoïde 螺线管 (un long enroulement 线圈 de fil) produit un champ identique à celui d'un aimant droit, avec un pôle N à une extrémité et un pôle S à l'autre. Le champ intérieur est fort et uniforme.

Vous pouvez montrer ces deux motifs avec du limaille de fer ou une boussole de traçage. Le champ devient plus fort si vous augmentez le courant, ajoutez plus de spires, ou placez un noyau en fer doux à l'intérieur.

Un fil droit avec des lignes de champ circulaires autour, à côté d'une bobine solénoïde avec un champ semblable à celui d'un aimant droit
Un courant crée des lignes de champ circulaires autour d'un fil droit, et un champ semblable à celui d'un aimant droit pour une bobine solénoïde

L'effet magnétique est utilisé dans un relais et dans une enceinte acoustique. Dans un relais, un petit courant dans une bobine magnétise un noyau en fer doux, qui ferme un interrupteur dans un second circuit. Ce second circuit peut transporter un grand courant, permettant ainsi à un petit interrupteur ou capteur de contrôler en toute sécurité un moteur ou un chauffage (par exemple, l'allumage d'une voiture démarre son moteur via un relais). Dans une enceinte acoustique 扬声器, un courant variable dans une bobine fait repousser et attirer un cône en papier, déplaçant l'air et produisant du son.

Induction électromagnétique

Lorsqu'un fil se déplace à travers un champ magnétique, ou que le flux à travers une bobine change, une f.e.m. est induite dans le fil. Si le fil fait partie d'un circuit fermé, cette f.e.m. fait circuler un courant. C'est l'induction électromagnétique 电磁感应.

Pour le démontrer : déplacez un aimant dans et hors d'une bobine reliée à un galvanomètre sensible, et observez l'aiguille tiquer. La f.e.m. induite est plus grande si vous utilisez un aimant plus puissant, bougez plus vite, ou utilisez plus de spires sur la bobine. La f.e.m. induite agit toujours pour s'opposer au changement qui la provoque. La direction du courant induit est donnée par la règle de la main droite de Fleming 弗莱明右手定则 : tenez le pouce, l'index et le majeur de la main droite perpendiculairement entre eux ; le pouce pointe dans la direction du mouvement du fil, l'index dans la direction du champ (N vers S), et le majeur indique alors le courant induit.

Le générateur a.c.

Un générateur alternatif 交流发电机 convertit le mouvement en électricité. Une bobine est mise en rotation dans un champ magnétique (ou un aimant est mis en rotation près d'une bobine). Au fur et à mesure qu'elle tourne, le flux à travers la bobine change constamment, induisant ainsi une f.e.m. alternative.

  • Les anneaux glissants 滑环 et les balais de carbone 电刷 transportent le courant vers le circuit pendant que la bobine continue de tourner.
  • La f.e.m. est maximale lorsque la bobine est plate (se déplaçant le plus rapidement à travers le champ) et nulle lorsque la bobine est verticale (se déplaçant le long du champ). Ainsi, le graphique f.e.m.-temps est une onde : pic, zéro, pic opposé, zéro, pour chaque tour.
Une bobine tournant entre les pôles d'un aimant, connectée par des anneaux glissants et des balais, avec une sortie a.c. sinusoïdale
Faire tourner la bobine induit une f.e.m. alternative ; les anneaux glissants transportent l'a.c. vers le circuit

Force sur un conducteur parcouru par un courant

Lorsqu'un fil parcouru par un courant repose dans un champ magnétique, le champ du fil et le champ de l'aimant se repoussent mutuellement, ce qui exerce une force sur le fil. C'est l'effet moteur.

  • Inversez le courant, ou inversez le champ, et la force s'inverse.
  • Augmentez le courant ou renforcez le champ, et la force augmente.

La force, le champ et le courant sont perpendiculaires entre eux. Vous pouvez trouver la direction de la force avec la règle de la main gauche de Fleming 弗莱明左手定则 : pouce = force (mouvement), index = champ (N vers S), majeur = courant.

Démonstration de la force. Posez un fil de cuivre rigide (ou une bande de feuille d'aluminium) entre les pôles d'un aimant en U et reliez-le à une pile via un interrupteur. Lorsque le courant circule, le fil saute vers le haut ou vers le bas. Inversez la pile et le fil saute dans l'autre sens ; retournez l'aimant et cela s'inverse encore. Un courant plus grand ou un aimant plus fort donne un saut plus grand.

Un fil parcouru par un courant entre deux pôles d'aimant, avec la force perpendiculaire au champ et au courant
Un fil parcouru par un courant dans un champ magnétique subit une force perpendiculaire à la fois au champ et au courant

Un flot mobile de particules chargées constitue un courant, donc un champ magnétique le repousse latéralement aussi — il dévie 偏转 le faisceau. (Rappelez-vous que les électrons circulent en sens opposé au courant conventionnel.)

Le moteur à c.c.

Une bobine parcourue par un courant dans un champ magnétique subit un effet de rotation 转动效应, car les forces sur ses deux côtés agissent en sens opposés. C'est un moteur continu 直流电动机. L'effet de rotation est plus grand avec plus de spires sur la bobine, un courant plus élevé, ou un champ plus fort.

Un commutateur à anneau fendu 换向器 inverse la direction du courant dans la bobine à chaque demi-tour. Cela maintient la rotation de la bobine dans le même sens au lieu de l'arrêter après un demi-tour.

Une bobine entre les pôles d'un aimant avec des forces opposées sur ses deux côtés, un commutateur à anneau fendu, des balais et une batterie
Les forces sur les deux côtés de la bobine forment un couple ; le commutateur à anneau fendu maintient la rotation dans un seul sens
Gros plan de balais de carbone sur ressorts pressant contre les barres de cuivre du commutateur d'un moteur continu
Dans un vrai moteur continu, des balais de carbone pressent contre les barres du commutateur en cuivre pour alimenter en courant la bobine en rotation

Le transformateur

Un transformateur modifie l'amplitude d'une tension alternative. Il possède deux bobines enroulées sur un noyau en fer doux 软铁芯 :

  • la bobine primaire 原线圈 reçoit la tension alternative ;
  • la bobine secondaire 副线圈 délivre la tension modifiée.

Le courant alternatif dans la primaire crée un champ magnétique variable dans le noyau. Le noyau transporte ce champ vers la secondaire, où il induit une f.e.m. alternative. Les tensions et les nombres de spires sont liés par :

$$\frac{V_p}{V_s} = \frac{N_p}{N_s}$$

Exemple résolu. Un transformateur a $1200$ spires sur la bobine primaire et $100$ spires sur la bobine secondaire. La primaire est connectée à une alimentation alternative de $240\ \text{V}$. Trouvez la tension secondaire.

$$\frac{240}{V_s} = \frac{1200}{100} = 12 \quad\Rightarrow\quad V_s = \frac{240}{12} = 20\ \text{V}$$

Moins de spires sur la secondaire, c'est donc un transformateur abaisseur.

Un transformateur : une bobine primaire et une bobine secondaire enroulées sur un noyau en fer doux, avec une alimentation alternative sur la primaire
Le champ variable dans le noyau lie les deux bobines ; le rapport des tensions est égal au rapport des spires
Un transformateur en métal gris fixé sur un poteau électrique en bois, avec de gros câbles isolés y aboutissant
Un vrai transformateur sur un pylône abaisse la haute tension des câbles vers une tension plus sûre pour les habitations

Si la secondaire a plus de spires, c'est un transformateur élévateur 升压 (la tension augmente) ; moins de spires font un transformateur abaisseur 降压 (la tension diminue). Par exemple, un transformateur passant de $240\ \text{V}$ à $12\ \text{V}$ est de type abaisseur, et la primaire a $20$ fois plus de spires que la secondaire.

Si un transformateur est efficace à 100 %, la puissance d'entrée est égale à la puissance de sortie :

$$I_p V_p = I_s V_s$$

Ainsi, un transformateur élévateur augmente la tension mais réduit le courant.

Pourquoi nous utilisons la haute tension pour envoyer l'énergie

L'électricité est transmise sur tout le pays par transmission haute tension 高压输电. La puissance perdue sous forme de chaleur dans les câbles est

$$P = I^2 R$$

où $R$ est la résistance des câbles. Un transformateur élévateur augmente la tension et réduit donc le courant pour une même puissance ($P = IV$). Un courant plus faible signifie beaucoup moins de puissance gaspillée dans les câbles. Un transformateur abaisseur réduit ensuite la tension à une valeur sûre avant qu'elle n'atteigne les habitations.

Des pylônes en treillis d'acier transportant de nombreux câbles à travers une campagne ouverte
Les pylônes supportent les câbles transportant l'électricité à très haute tension, ce qui maintient le courant — et la puissance gaspillée — faibles
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La force qui fait tourner un moteur

Un courant dans un champ magnétique est repoussé perpendiculairement aux deux — inversez le courant ou retournez l'aimant et il repousse dans l'autre sens. C'est ce qui fait tourner un moteur.

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Le générateur

V = a sin(bt)

Une bobine en rotation induit une tension sinusoïdale — la sortie CA.

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Transformateur

Ajouter des spires au secondaire pour élever la tension, en retirer pour l'abaisser — Vs/Vp = Ns/Np, exactement comme le réseau transporte l'énergie efficacement.

Vocabulaire Entrainer
Anglais Chinois Pinyin
motor/ˈməʊtə/ 电动机 diàn dòng jī
bell/bel/ 电铃 diàn líng
transformer/trænsˈfɔːmə/ 变压器 biàn yā qì
solenoid/ˈsəʊlənɔɪd/ 螺线管 luó xiàn guǎn
coil/kɔɪl/ 线圈 xiàn quān
loudspeaker/ˈlaʊdspiːkə/ 扬声器 yáng shēng qì
electromagnetic induction/ɪˌlektrəʊməɡˈnetɪk ɪnˈdʌkʃn/ 电磁感应 diàn cí gǎn yìng
Fleming's right-hand rule/ˈflemɪŋz raɪt hænd ruːl/ 弗莱明右手定则 fú lái míng yòu shǒu dìng zé
a.c. generator/ˌeɪ ˈsiː ˈdʒenəreɪtə/ 交流发电机 jiāo liú fā diàn jī
slip rings/slɪp rɪŋz/ 滑环 huá huán
brushes/ˈbrʌʃɪz/ 电刷 diàn shuā
Fleming's left-hand rule/ˈflemɪŋz left hænd ruːl/ 弗莱明左手定则 fú lái míng zuǒ shǒu dìng zé
deflect/dɪˈflekt/ 偏转 piān zhuǎn
turning effect/ˈtɜːnɪŋ ɪˈfekt/ 转动效应 zhuǎn dòng xiào yìng
d.c. motor/ˌdiː ˈsiː ˈməʊtə/ 直流电动机 zhí liú diàn dòng jī
split-ring commutator/splɪt rɪŋ ˈkɒmjuːteɪtə/ 换向器 huàn xiàng qì
soft-iron core/sɒft ˈaɪən kɔː/ 软铁芯 ruǎn tiě xīn
primary coil/ˈpraɪməri kɔɪl/ 原线圈 yuán xiàn quān
secondary coil/ˈsekəndəri kɔɪl/ 副线圈 fù xiàn quān
step-up/step ʌp/ 升压 shēng yā
step-down/step daʊn/ 降压 jiàng yā
high-voltage transmission/haɪ ˈvəʊltɪdʒ trænˈsmɪʃn/ 高压输电 gāo yā shū diàn
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4.5

Conseils d'examen

  • Le courant est le même partout dans un circuit en série ; dans un circuit en parallèle, il se divise entre les branches. La tension (p.d.) est partagée en série, mais est la même sur chaque branche parallèle.
  • Ajouter des résistances en série augmente la résistance totale ($R_1 + R_2$) ; les ajouter en parallèle rend la totale inférieure à la plus petite résistance individuelle.
  • Un ampèremètre se met en série et a une très faible résistance ; un voltmètre se met en parallèle aux bornes d'un composant et a une très haute résistance.
  • Dans un transformateur $\dfrac{V_p}{V_s} = \dfrac{N_p}{N_s}$ : plus de spires sur la secondaire élève la tension, moins la baisse. Les transformateurs ne fonctionnent qu'en a.c.
  • L'énergie est envoyée sur tout le pays à haute tension afin que le courant — et la chaleur gaspillée dans les câbles, $P = I^2R$ — soit faible.
  • Installez le commutateur et le fusible dans le fil de phase, et choisissez une valeur nominale de fusible juste au-dessus du courant de fonctionnement normal de l'appareil.

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