L'électricité (théorie et pratique physique)

« du fonctionnement des dynamos , dans lesquelles une bobine de fil conducteur en rotation dans un champ magnétique produ it un courant électrique .

• Unité : le tesla (symbole : l) ou le gauss (symbole : G) dans le système d'unités CGS (centimètre gramme seconde) électromagnétique , peu utilisé aujourd'huij.

• Dans un circuit électrique où le flux magnétique (weber ; symbole : Wb) vari e en fonction du temps (t) se crée une force électromotrice (e).

Sa valeur est donnée par la loi de Lenz : e;- dWb /dt LOIS ET FORMULES EN COURANT CONTINU • Etablie par Georg Simon Ohm en 1827.

U;Rxl G; 1/R P;U x 1; Rx l' ; U' /R Loi de Joule • Établie par James Joule en 1841.

Le passage d'un courant constant dans un conducteur produit de la chaleur (énergie calorifique) proportionnellement à la résistance du système électrique et au carré de l'Intensité de ce courant électrique .

La puissance perdue par le système s'écrit donc : P; R x l ' Lois de Kirdlhoff (loi des nœuds et loi des 1Uilles) • Dans un circuit en parallèle , la somme des courants partant d'un nœud est égale à la somme des courants qui arrivent à ce nœud .

• Dans une maille U= U1 = U2= ...

=Un addition des tensions et (boude des courants dans un circuit électrique), la somme des tensions est nulle (égale à 0).

RéslstaMe tolillle d'un drcult • Dans un circuit électrique en série, si n résistances sont branchées , la résistance totale du circuit Rest égale à la somme des résistances : R;Rl +R2+ ...

+Rn • Dans un circuit en parallèle : si n résistances sont branchées , l'Inverse de la résistance 1/R est donnée par la formule: 1/R; 1/R1 + 1/R2 + ...

+ 1/Rn U=UI + U2 + UJ+ •..

+Un addition des tensions • Si deux résistances seulement sont branchées en parallèle, la résistance totale Rest donnée par la formule : R; (R1 x R2)/(R 1 + R2) ES É!edrostatique • Discipline de la physique qui s'intéresse à l 'électricité statique c'est-à-dire aux charges électriques immobiles .

Elle permet d'expliquer certaines réactions chimiques et des phénomènes comme la foudre, les décharges ressenties lors du contact avec une carrosserie de voiture.

Elle a de multiples applications comme les tubes cathodiques et donc la télévision .

• Étude du déplacement des charges électriques dans les conducteurs .

É!edntupétls!le • Étude les interactions de l'électricité et du magnétisme .

Éledronique • Discipline de la physique appliquant les caractéristiques du courant électrique au traitement et au transport de llnformation (puces électroniques , ordinateurs, télécommunications, etc.).

HISTOIIE DE L'iLECTIICm Gralltles dates • Alltlqulté :Thalès décrit un phénomène électrostatique ; après avoir été frotté, l'ambre attire des corps légers.

Le même phénomène s'observe avec le verre .

• Moyen Age : les Chinois utilisent la boussole , dont le fonctionnement est fondé sur le magnétisme terrestre .

·Vers ran 1000 : le pape Sylvestre 11 fait planter des pics pointus à l'approche des orages .

Début de l'utilisation du paratonnerre .

• xvr s.

:William Gilbert propose le mot electrica (du grec é/ektron, qui signifie • ambre jaune») pour rendre compte du phénomène d 'attraction de certaines matières.

Il met en évidence le magnétisme de la Terre .

• 1671 : Otto von Gericke fabrique le premier générateur électrostatique (boule de soufre traversée par une manivelle) et observe la luminescence induite par un champ électrique .

• Début du xvnr s.

: on découvre que des matériaux sont isolants et d'autres conducteurs .

Charles Du Fay de Cisternay distingue les charges « villeuses » (positives) des charges « résineuses» (négatives).

• 1745 : le premier condensateur (composant emmagasinant des charges électriques) est créé (bouteille de Leyde) .

• 1760 : Benjamin Franklin découvre le paratonnerre et l'Installe à Philadelphie .

• Fln du XVIIr s.

: Luigi Galvani découvre l'électricité animale et la nature électrique de l'excitation des nerfs et des muscles.

-Alessandro Volta invente le premier générateur de courant électrique continu : la pile voltaïque .

- Laplace énonce les premières lois de l'électromagnétisme .

· Coulomb énonce les premières lois de l'électrostatique .

• XIXe s.

· 1800 : Nicholson et Carlyle découvrent l 'électrolyse .

Davy observe l'arc électrique et crée la première lampe .

· 1819 : expériences de Hans Œrsted sur l'électromagnétisme .

- 1820 : Louis -Marie Ampère énonce les premières lois de l 'électromagnétisme .

· 1821 : Michael Faraday crée le premier moteur électrique .

· 1827 : Georg Simon Ohm énonce sa loi.

· 1831 : Michael Faraday découvre l'induction .

· 1841 :James Joule énonce les lois sur la déperdition de chaleur.

Paris s'éclaire avec des lampes à arc électrique .

· 1847 : Gustav Kirchhoff énonce ses lois.

- 1864 :James Maxwell expose ses équations générales du champ électromagnétique.

· 1871 : Zénobe Gramme invente la dynamo.

-1876 : Graham Bell met au point le téléphone .

· 1878 : Thomas Edison met au point la première lampe à incandescence .

-1881 :Joseph Thomson découvre l 'existence de l'électron .

- 1882: Marcel Deprez invente le système des lignes électriques.

-1887 : le métro londonien se dote d 'une traction électrique .

-1896 : Guglielmo Marconi utilise les ondes radioélectriques pour mettre au point la radio.

A la fin du XIX' siècle : · Siemens conçoit le tramway électrique .

· On découvre l'électrocardiogramme .

· Les premiers accidents par électrocution entraînent l'élaboration de règles de sécurité .

• Les premières exécutions sur chaise électrique ont lieu aux États-Unis • Wilhelm Rôntgen découvre les rayons X, c 'est le début de la radiologie.

xx· s.

• Le siède du « tout-électrique • débute avec de nombreuses inventions : sonnettes , radiateurs , réveils , pistolets à peinture, laboureuses, voitures , rails, etc.

Penoanages-dés AJ.père, André Marle (1775·1836) • Physicien et chimiste français , jette les bases de l 'électromagnétisme, de l 'électrodyna- mique et de la théorie 1 de la matière.

Invente notamment le télégraphe électrique et avec Arago, l'électro-aimant.

Becquerel, Antoillt (17111-1878) Centrales hydrauliques • Découvre l'effet piézoélectrique et la • Utilisation de l'énergie mécanique pile photovoltaïque .

produite par les déplacements de l'eau Cavendish, Henri (1731-1110) (marées , fleuves) dans les usines • Physicien et chimiste britannique , fonde marémotrices ou au niveau des l'électrostatique avec Charles Coulomb .

barrages .

Cette énergie mécanique est Coulo•b, Charles de (1736-1806) convertie en énergie électrique .

• Physicien français marque Piles et aa:u•ulateun l 'électrostatique et le magnétisme .

• Fabrication d'énergie électrique à Énonce les lois qui régissent l'attraction partir d'énergie chimique.

Ils sont et la répulsion des charges électriques utilisés pour fournir une énergie (lois de Coulomb) .

Laisse son nom électrique aisément transportable à une unité de quantité électrique.

(piles, batteries rechargeables , etc.) .

~u~~~~~~~~~1~"~7~-1~·~]1~l ____ _ 1=toi~lftmes~~ ~--~--~---- • Inventeur • L'énergie fournie par le vent américain, crée le télégraphe duplex.

le phonographe (dont le principe est conçu par le Français Charles Cros en 1876 ) , le microtéléphone et la lampe à incandescence.

Installe , à New York, la première centrale électrique .

Faraday, Michael (1791·1867) • Autodidacte britannique, invente le moteur électrique, met au point l'Induction électromagnétique et explique le phénomène de l'électrolyse .

Frilllldln.

BH)il•ln (1706-1790) • Homme politique et homme de science américain , découvre la nature électrique de l'éclair et invente le paratonnerre.

(déplacement de masses d 'air) fait tourner les pales de grandes hélices ou éoliennes.

L'énergie mécanique est transformée en électricité .

Ctlltrilles solaires • L'énergie solaire peut être utilisée pour chauffer une substance dont l'énergie calorifique est ensuite transformée en électricité .

Les études s'orientent aujourd'hui vers une production directe à partir de l'énergie solaire qui évite les déperditions d'énergie (électricité photovoltaïque) .

centrales céotllniques • Exploitation de la chaleur dégagée par la Terre (en Islande).

Les sources d'eau chaude sont utilisées directement (chauffage central) ou traitées en centrales thermiques.

Des roches chaudes et sèches sont forées pour être traversées par des courants artificiels d'eau qu'elles réchauffent ÉM!Jie des dédlets Lulli Galvani (1737-1798) ~Les--d-iod-es-------~ ·Médecin italien , pratique de nombreuses expériences d'excitabilité • La majeure partie des déchets peut être brûlée en centrale thermique pour produire de l'électricité .

• Les diodes sont des composants des nerfs et des muscles par l'électricité électroniques laissant passer le courant sur les animaux .

dans un sens et pas dans l'autre .

• Elles servent à redresser le courant Joule, JilllltS Prescott ( 1118-1889 ) c'est-à-dire à transformer un courant • Physicien britannique , étudie la alternatif en courant continu.

chaleur dégagée par un circuit • Une diode ne laisse en fait passer électrique Ooi de Joule) .

Nombreuses expériences sur les lois de conservation qu'une partie de la sinusoïde, de l'énergie .

Ses travaux en c'est pourquoi on parle de • courant redressé 1 et non de véritable thermodynamique sont à l'origine de la • courant alternatif..

découverte de la réfrigération .

Laisse -.....

-- -- son nom à une unité d'énergie.

Maxwell, JilllltS Clert (18]1-1879) Physicien britannique, énonce les équations de l'électromagnétisme liant champs électriques et magnétiques .

Volta, Alessandro (1745·1817) Physicien italien, invente l'eudiomètre et la pile électrique .

Laisse son nom à l'unité de mesure de la tension électrique.

•t-...

l&l~ PRODUCTION D 'ÉLECTRICITÉ • Production d'électricité par combustion de charbon, de fuel ou de gaz (transformation de l'énergie thermique en énergie électrique) .

En France, elles fournissent 5 %de l'électricité produite par EDF.

Centrales nudéaires ·Production d'électricité par récupération de la chaleur dégagée par une réaction nucléaire (fission de l'uranium 235).

l'énergie calorifique est ensuite transformée en énergie mécanique, puis électrique .

Fournissent 11 %de la production mondiale d'électricité.

Quelques dliffres de produdlon En milliards de kWh (1998) • États-Unis : 3 212 ; • Chine : 1 128 ; • Russie : 827 ; • Canada : 543 ; • Allemagne : 505 ; • France : 486 ; • Royaume-Uni : 337 ; • Brésil : 307 ; Transport de r éledridté En France, le réseau de disllibution de l'électricité (du site de production au consommateur) comprend : • 60 000 km de lignes a très haute tension (400 000 volts) et à moyenne tension (63 000 et 90 000 volts) ; • 590 000 km de lignes à moyenne tension (20 000 volts) ; • 630 000 km de lignes à basse tension (380 et 220 volts).

CONSOMMATION D 'ÉLECTRICITE En milliards de kWh (1998) • États-Unis : 3 859 ; • Union européenne : 2 503 ; • Chine : 1 198 ; • Allemagne : 556 ; • Canada : 534 ; • France : 453 ; • Royaume-Uni : 371 ; • Brésil : 361 ; • Espagne : 199.

c-IUtioll iiiCiividuelle Consommation d'é/ectridté par habitant et por an • Canada · 17 500 kWh · • États -unis : 13 500 kWh ; • France : 7 200 kWh ; • Grande-Bretagne : 5 800 kWh ; • Espagne : 4 200 kW ; • Chine : 800 kW.. »