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INTRODUCTION Une bonne compréhension du comportement des circuits est atteinte

INTRODUCTION Une bonne compréhension du comportement des circuits est atteinte par la résolution de problème. On atteint de la sorte deux objectifs : - L’analyse d’un circuit donné Il consiste à calculer des grandeurs mises en jeu (intensité du courant, tension, résistance, puissance, énergie…) - La synthèse d’un circuit donné Il consiste à concevoir un circuit à partir de grandeurs données. Pour bien mener ces deux objectifs, il y a lieu de respecter certaines démarches.  Comprendre les données  Saisir le problème c’est-à-dire les inconnues  Déterminer les données qui se rapportent au problème  Déterminer un diagramme schématique si le problème le permet  Utiliser les symboles exacts et les termes exacts  Utiliser les unités du système international (S.I)  Représenter les schémas à l’aide des symboles exacts  A chaque étape de la résolution, vérifier que le résultat obtenu est raisonnable. I. Courants 1. Définition Un courant est un déplacement de charges électriques : l'intensité du courant quantifie le déplacement de charges par seconde, que l'on mesure plutôt en Coulombs par seconde qu'en charges électriques (électrons) par seconde (de même que l'on mesure le débit d'un fleuve en m3 par seconde plutôt qu'en gouttes d'eau par seconde !). On écrit donc : i(t) = dq/dt Un courant circule dans des fils ou des composants si le circuit est fermé, il en sort autant qu'il en entre et si on ouvre le circuit, l'intensité est nulle dans TOUTE la branche qui est en série avec l'interrupteur, même AVANT l'interrupteur (c'est à dire plus près de la source de tension) ! Ne mélangez pas la présence d'électrons qui n'est pas un courant et le déplacement d'électrons qui est un courant ! (De même que si vous fermez un robinet il y a toujours de l'eau avant celui-ci mais elle ne se déplace pas : le débit est bien nul avant le robinet comme après) 2. Unité L’intensité s'exprime en Ampères (symbole : A). Une intensité de 1 A correspond à un débit de 1 Coulomb par seconde. 3. Courant électrique On appelle courant électrique une circulation de charges électriques. Ces charges peuvent être : • Des électrons ▪ Dans un solide conducteur (cuivre, aluminium, etc). ▪ Dans un liquide conducteur (mercure à la température de 20°C). ▪ Dans le vide (tube électronique ou tube cathodique d’écran de télévision). • Des trous (mais on se ramène à des électrons, voir cours d’électronique). • Des ions dans une solution (2H+ SO42-), par exemple dans l’électrolyte d’un accumulateur au plomb. Cette liste n’est pas exhaustive. On définit alors l’intensité d’un courant électrique par la loi suivante : Q I t = ou dQ i dt = avec t en secondes, Q en Coulomb (C) et i en Ampères1 (A). L’intensité est le débit de charge électrique à travers la section d’un conducteur. 4. Effets du courant électrique Le courant électrique a trois effets : • Calorifique : (Effet Joule) utilisé pour la transformation de l’énergie électrique en chaleur. Il est voulu et bénéfique (radiateurs électriques) ou bien nuisible et combattu (pertes Joule dans les machines électriques). • Magnétique : utilisé pour la transformation de l’énergie mécanique en énergie électrique et vice-versa. • Chimique : utilisé pour le stockage ou la production d’énergie électrique continue (accumulateurs, piles). 5. Cause d’un courant électrique Le courant électrique circule entre deux points parce que les charges mobiles sont soumises à une différence de potentiel électrique (d.d.p. exprimée en Volts) entre ces deux points. Ce n’est pas la seule façon de créer un courant électrique, il existe des méthodes plus ‘’exotiques’’ (voir exercice à la fin de ce chapitre). Néanmoins, dans toute la suite de ce cours, on ne s’intéresse qu’à des courants électriques créés par des d.d.p. soit continues (éventuellement variables mais toujours de même sens) ou alternatives (le sens de la d.d.p. change au cours du temps). Il est intéressant de disposer d’analogies pour mieux comprendre ces phénomènes. On peut assimiler la différence de potentiel à la hauteur d'une chute d'eau. L’eau qui coule est analogue au courant électrique et son débit est, lui, analogue à l’intensité du courant électrique. Une meilleure analogie consiste à comparer un générateur de tension à une pompe qui créé une différence de pression entre deux points. Cette analogie hydraulique (Figure 1) peut aider à l’assimilation de nombreux phénomènes électriques. Figure 1 Comparé à la vitesse de la lumière, la vitesse de déplacement des charges mobiles dans les conducteurs est extrêmement faible. Les électrons d’un fil de cuivre se déplacent à une vitesse moyenne de 1 mm/s. En fait, les électrons du fil se déplacent très rapidement entre deux changements de direction, entre deux chocs. Mais ils zigzaguent dans tous les sens ce qui rend leur vitesse moyenne le long du fil si faible. La vitesse des ions dans un électrolyte est encore plus faible. La vitesse des électrons dans un tube cathodique avoisine 10000 km/s. C’est l’onde d’établissement de la différence de potentiel électrique qui voyage à 300000 km/s et pas les charges mobiles. L’impression d’instantanéité que nous avons, lorsque nous allumons la lumière électrique dans une pièce par exemple, vient de ce que le fil électrique est plein d’électrons et que l’onde de tension les met en mouvement presque instantanément. Reprenons l’analogie hydraulique pour mieux comprendre. Imaginons un jardin de trente mètres de long. A une extrémité se trouve un robinet d’eau qui alimente un tuyau déroulé le long du jardin. Si le tuyau est rempli d'eau, dès que l’on ouvre le robinet, l’eau sort presque tout de suite au bout du tuyau. Mais l’eau qui sort est celle qui était tout près de la sortie, ce n’est pas celle vient de sortir du robinet, cette eau-là arrivera bien plus tard. + i, courant Résistance = charge Différence de potentiel Charge : sable par exemple Fluide débit Différence de pression Si le tuyau est vide, il faut du temps pour que l’eau sorte une fois le robinet ouvert. Il faut encore souligner que c’est bien la vitesse moyenne de dérive du nuage d’électrons mobiles dans un fil de cuivre qui est très faible (1 mm/s) et non la vitesse individuelle de chaque électron. Les électrons se déplacent très rapidement dans la maille cristalline du cuivre (10000 km/s) entre deux chocs sur des atomes. Mais la multiplicité de ces chocs fait que la vitesse de dérive dans la direction du courant est aussi faible que 1 mm/s. Les électrons libres dans un conducteur au repos sont semblable à un nuage de mouches : les mouches s’agitent et zigzaguent dans tous les sens et le nuage reste immobile. Lorsque le conducteur est traversé par un courant électrique, le nuage de mouches dérive lentement en sens inverse du sens du courant. L’unité SI de différence de potentiel électrique (tension) est le Volt (V), tiré du nom du physicien italien Volta qui inventa la pile électrique en 1800. La d.d.p. se note souvent u, e ou U, E pour des grandeurs indépendantes du temps. Il est important de comprendre que seul la d.d.p. est importante et qu’il n’y a pas de potentiel absolu pouvant servir de référence, comme pour les températures, par exemple, pour lesquelles il existe un zéro absolu. En électronique, on référence souvent les tensions par rapport à la masse (concrètement un châssis métallique s’il y en a un), masse à laquelle on attribue le potentiel 0 parce que c’est plus simple. On pourrait attribuer n’importe quelle valeur de potentiel à la masse. Le pôle – des générateurs de tension est très souvent considéré comme relié à la masse dans les schémas d’électronique ou d’électrotechnique. Il est également important de noter qu’en électrotechnique, la masse ne recouvre pas la même notion que la masse « électronique » utilisée sur les schémas. En effet, en électrotechnique, la masse est la ou les partie métallique d’un récepteur (si le récepteur en possède une) susceptible d’entrer en contact avec un utilisateur. La carcasse métallique d’un réfrigérateur par exemple est une masse au sens électrotechnique du terme. En électrotechnique, les masses des récepteurs peuvent être reliées à la terre, on utilise le symbole de la Figure 2 pour représenter cette dernière. On utilise les symboles suivants : Masse « électronique » synonyme de potentiel nul terre Figure 2 6. Polarité, sens du courant électrique En électrotechnique ‘’ordinaire’’, les charges mobiles sont les électrons des fils et câbles de cuivre ou d’aluminium. Des deux bornes d’un générateur, la borne qui présente un excès d’électrons est identifiée par un signe ( - ) par rapport à celle qui, comparativement, comportant un manque d’électrons est repérée par un signe ( + ). Ces deux bornes sont nommées respectivement borne négative et borne positive. Elles possèdent respectivement une polarité négative et une polarité positive. Les premiers savants qui ont étudiés l’électricité ont imaginé que le courant électrique se déplaçait à l’extérieur du générateur de la borne + à la borne -. Malheureusement, ce sens conventionnel du courant, qui a été choisi arbitrairement, est l’inverse du sens de uploads/Management/ generalites-repare.pdf