SMB - Sciences 9e - Mme Lynn Fisher

On dit qu'un objet qui attire ou repousse un autre objet qu'il est chargé, ou qu'il porte une charge électrique.

Comment produit-on les charges électriques?  De nombreux objets faits de matériaux différents deviennent chargés quand on les frotte l'un contre l'autre, qu'on les touche, ou qu'on les approche l'un de l'autre puis qu'on les sépare.

P.ex.  Si tu frottes un ballon en caoutchouc contre ta tête, les électrons de ta tête et tes cheveux se déplacent et se collent à l'endroit ou le contact avec le ballon a eu lieu.  L'accumulation des électrons sur le ballon fera en sorte qu'il porte une charge négative et il sera ensuite attiré vers n'importe quel objet qui porte une charge positive ou qui est neutre.  C'est la raison que le ballon peut ensuite coller au mur pour quelques instants!

La charge d'un objet dépend de l'équilibre entre les charges positives et les charges négatives d'un objet.

a) Neutralité (ou absence de charge) : le nombre de charges positives est égal au nombre de charges négatives.

+ + - + - -

- - + - + +

b) Charge positive : Le nombre de charges positives est plus grand que le nombre de charges négatives.

+ + + + - +

-  - + + + +

c) Charge négative : Le nombre de charges négatives est plus grand que le nombre de charges positives. 

- - + - - +

- - - + - +

C'est l'inventeur et homme politique américain Benjamin Franklin (1706 - 1790) qui a été le premier à utiliser les termes positif et négatif pour décrire les charges.

Selon la théorie moderne, la présence de charges non équilibrées sur un solide est due au transfert d'électrons d'un objet à un autre. 

Même s'il ne possédait pas ces connaissances, Franklin a réalisé des expériences qui ont joué un rôle dans l'élaboration des lois des charges, qui décrivent l'interaction d'objets chargés et non chargés :

1) Des charges de signes opposés s'attirent.

2) Des charges de même signe se repoussent.

3) Les objets chargés attirent les objets neutres (ou non chargés).

Questions de révision

Corrigé

Une variable contrôlée est une caractéristique choisie qui est commune à toutes les personnes de votre échantillon.

p.ex. si vous recueillez uniquement des données sur les personnes aux yeux bruns, vous avez contrôlé la variable «couleur des yeux ».

Une variable non contrôlée est une caractéristique qui vous permet de fonctionner au hasard, pendant l'échantillonnage.

p.ex. si vous recueillez des données sur les personnes aux yeux de n'importe quelle couleur, vous n'avez pas cherché à contrôler la variable «couleur des yeux ».

Tu dois contrôler toutes les variables sauf une lorsque tu fais tes observations.  

L'unique facteur que tu fais varier s'appelle variable manipulée (variable indépendante).  La variable ou le facteur qui change à la suite de la manipulation d'une variable s'appelle variable répondante (variable dépendante).

Beaucoup d'expériences ont un témoin, une expérience ou un traitement avec lequel tu peux comparer les résultats du groupe que tu étudies.

https://www.youtube.com/watch?v=TJAKBmLnvmo

Activité des variables

 

Électricité statique

Électricité statique : l’électricité statique résulte d’une accumulation de charges électriques qui survient lorsque deux objets se frottent l’un contre l’autre.

La prévention de l'accumulation de charges électrostatiques

L'accumulation de charges non équilibrées peut entraîner des coûts : les objets chargés attirent de la poussière et des contaminants.  Afin d'éviter l'accumulation des charges, nous avons recours à certains mécanismes et produits.  

P.ex. Quand un camion-citerne roule sur une route bosselée par grand vent, alors que l'air est chargée de poussières, il gagne souvent une charge.  Pour éviter la formation des étincelles qui pourraient provoquer l'explosion des vapeurs d'essence, on effectue une mise à la terre à l'aide d'un câble.

P.ex. Des vêtements qui collent ensemble ou au corps en sortant de la sécheuse. Peut-être pas coûteux, mais tout de même ennuyant.  Afin d'éviter des situations embarrassantes, nous avons recours à des feuilles anti-statique, tels que Bounce ou Tide.  Ces feuilles sont recouvertes d'une fine couche de gras qui fond sur les vêtements à la température élevée de la sécheuse.  Cela lubrifie en sorte les vêtements afin de réduire le frottement qui mène au transfert des charges.  

Les utilités de l'électricité statique

On peut aussi se servir du principe de la statique à notre avantage :

P.ex. La peinture des voitures.  La peinture porte une charge et la voiture est neutre.  Puisque les particules de peinture portent une charge, elle sont naturellement attiré sur toute la surface de la voiture.  Cette méthode assure une couche mince et uniforme sur toute la surface de la voiture.

P.ex. Les purificateurs d'air.  Plus précisément, les ionisateurs.  À l'intérieur de la colonne se trouvent de longues plaques vitrées et chargées.  L'air est forcé à travers de la colonne, entre les plaques qui attirent des particules, tels que des polluants et des bactéries.  Les plaques peuvent ensuite être retirées et rincées pour enlever les impuretés qui s'accumulent.    

La neutralisation de charges non équilibrées

P.ex lorsqu’on frotte un ballon et qu’il colle au mur. Un objet accumule une charge positive et l’autre, une charge négative, ce qui entraîne un déséquilibre entre les deux. L’équilibre est rétabli par la décharge d’électrons au sol (c'est ce qu'on appelle une mise à la terre). La décharge peut se manifester lentement, comme dans le cas du ballon qui se décolle du mur après un certain temps, mais elle peut aussi survenir rapidement, par exemple lorsqu’on frotte nos pieds sur un tapis et qu’on touche à un objet métallique. On ressent alors un léger choc.

               

Électricité dynamique

Électricité dynamique : l’électricité dynamique se caractérise par une circulation de charges électriques dans un conducteur, autrement dit par le passage d’un courant électrique dans un circuit.

Les aimants

Un aimant est un objet qui est fabriqué d'un matériel qui lui permet de maintenir des pôles de charges opposés (positif et négatif), et d'exercer une force d'attraction sur tout autre objet ayant une charge opposée.

Les électroaimant

Une tige de fer entouré d'un fil qui est traversé par un courant crée un aimant provisoire (temporaire), appelé électro-aimant.

P.ex.

Un courant passant dans le fil de la bobine polarise magnétiquement chacune de ses extrémités, qui deviennent respectivement deux pôles magnétiques, le nord et le sud.

Le même principe s'applique à la Terre, pour créer les pôles géographiques!

Les flèches représentent le déplacement des électrons.

On doit à Michael Faraday (1791-1867) la découverte des principes fondamentaux de l'électromagnétisme.  On lui doit l'enrichissement de la terminologie scientifique avec les termes "ion", "électrode", "cathode" et "anode".  Il a aussi bâti le principe des lignes de force magnétique.

Tant qu'il y a un courant qui circule dans le fil, la tige de fer aura les propriétés d'un aimant.

Exemples d'électroaimants : 

               

Modifications que l'on peut apporter à l'électroaimant :

L'inversion du courant dans le fil provoque l'inversion des pôles dans la tige de fer.

L'interruption du courant entraîne aussitôt la disparition de l'électroaimant.

Pour augmenter la force de l'aimant, on peut tout simplement enrouler la tige de fer davantage avec le fil électrique.  On peut aussi augmenter la force en augmentant la tension dans le fil électrique.

Pour diminuer la force de l'aimant, on peut donc diminuer le nombre de fois que le fil électrique est enroulé autour de la tige de fer OU diminuer la tension dans le fil électrique.

Questions de révision

Corrigé

 

Le courant électrique représente le déplacement de charges d'un point à un autre. 

Ces charges ne sont pas nécessairement des électrons - il peut aussi s'agir d'ions (ou d'atomes chargés). 

Le courant circule grâce à des conducteurs d'électrons (tels des fils métalliques)

OU

des conducteurs d'ions, telles des solutions électrolytiques (une solution dans laquelle un composé ionique est dissout).

Le courant observé est identique quel que soit le genre de conducteur dans lequel les charges se déplacent.

SIMULATEUR POUR LE LABO

Tous les circuits - des plus simples aux plus complexes - constituent un canal continue dans lequel les charges peuvent circuler.

Tous les circuits se composent de 4 éléments de base :

1.  Une source d'énergie, p.ex. une pile, une batterie ou une génératrice.

Dans un diagramme à circuit, les sources d'énergie sont représentés comme telles :

une pile...                                                    une batterie...

                                                           

2.  Un conducteur, p.ex. un fil dans lequel l'électricité peut circuler.

Dans un diagramme à circuit, les conducteurs sont représentés par le symbole suivant :

                                                                          

3.  Une charge, p.ex. des appareils qui vont convertir l'électricité en une autre forme d'énergie, comme une ampoule qui convertit l'électricité en énergie lumineuse.

Dans une diagramme à circuit, les charges sont représentés par les symboles suivants :

une ampoule...                                                         toutes autres charges...

                                                                            

4.  Une commande, p.ex. un interrupteur ou tout autre dispositif capable d'ouvrir ou de fermer les circuits.  C'est la commande qui contrôle le courant qui circule.

Dans un diagramme à circuit, les commandes sont représentées par le symbole suivant :

                                                        

Voici un exemple de diagramme à circuit :

Pratique-toi à créer des circuits à l'aide d'un simulateur de circuit électrique.

Les montages en série et en parallèle

On compare souvent les circuits électriques aux réseaux d’alimentation en eau. 

Les charges électriques circulent dans les différentes parties d’un circuit de la même façon que l’eau dans un conduit ou dans une rivière.

Il existe 2 types de montages de circuits électriques.

1) Un montage en série : comporte un seul chemin pour le courant.  Toutes les charges doivent passer par chaque composante du circuit.

2) Un montage parallèle : comporte plusieurs chemins pour le courant.  Le courant total est divisé, une partie des charges circulant dans chaque branche (ou partie) du circuit. 

Le diagramme ci-dessous montre les deux types de montages. 

Le diagramme du haut représente un circuit en série tandis que le diagramme du bas représente un circuit parallèle.

                                        

Questions de révision - Les circuits

Corrigé

La mesure du courant

L’énergie des charges en mouvement (ou le courant électrique) est transformée lorsque le courant passe à travers la charge, tout comme l’énergie de l’eau motrice est canalisée quand celle-ci dévale une pente.

                                                         

Imagine encore une rivière dont le courant est rapide.  Si tu devais décrire celui-ci, tu pourrais l’exprimer par le nombre de litres d’eau qui passent par un point en une minute.

Les scientifiques décrivent de la même façon le courant électrique en fonction de la quantité de charges (ou d'électrons) qui passent par un point d’un fil conducteur en une seconde.

Le courant est mesuré en ampères (A) ou en milliampères (mA).

Le courant qui circule dans les appareils électriques d’usage courant varie de quelques milliampères à quelques dizaines d’ampères.

Un ampère équivaut à 1 coulomb/seconde ou 6,2423 x10¹⁸ électrons/seconde!

Un galvanomètre est un instrument qui sert à mesurer de très faibles courants électriques.

On emploie un ampèremètre ou un milliampèremètre pour mesurer les courants de plus grande intensité.

La mesure de la tension

L’énergie qui sert à faire avancer les électrons provient de charges positives et négatives séparées les unes des autres.

P.ex. À l’intérieur d’une pile, des réactions chimiques fournissent l’énergie requise pour séparer les charges.  Les électrons sont ensuite capables d’effectuer un travail à leur tour, comme allumer une ampoule ou une plaque d’une cuisinière.

On mesure l’énergie, quelle qu’en soit la forme, en joules (J).

On appelle la différence d’énergie par unité de charge entre 2 points d’un circuit - tension.  On emploie fréquemment le mot tension pour désigner la différence de potentiel.

L’unité de mesure de la différence de potentiel est le volt (V), nommé après Alessandro Volta (1745 – 1827), qui a construit la première pile.  On mesure les volts à l'aide d'un voltmètre.

Unités en électricité

La résistance

La résistance (Ω) est une propriété des substances qui s’opposent au mouvement des charges électriques;  elle est responsable de la conversion de l’énergie électrique en une autre forme d’énergie.  L'unité de la résistance est l'ohm et on peut mesurer directement la résistance à l'aide d'un ohmètre.

P. ex. Lorsqu’un courant circule dans le filament à haute résistance de l’ampoule électrique, une grande partie de l’énergie associée au courant dans le filament est transformée en lumière et en chaleur.

Lorsque les électrons peuvent se déplacer facilement, ils rencontrent peu de résistance. 

On dit alors que la résistance dans un bon conducteur est faible.

Cependant, lorsque les électrons ne peuvent pas se déplacer facilement (p.ex. dans les mauvais conducteurs), ils rencontrent beaucoup de résistance. 

Ils ont donc une grande résistance.

Comme pour les joueurs et les joueuses de golf: les meilleurs sont ceux qui ont le plus bas pointage.

Les meilleurs conducteurs sont ceux dont la résistance est la plus faible.

Pour calculer la résistance, on se sert de la formule suivante :

Résistance = tension (V)/ courant (I)

             Alors,    R = V

                                  I

Cette équation s’appelle la loi d’Ohm.

La puissance

La puissance (P) électrique représente la quantité d’énergie électrique convertie dans une autre forme d’énergie (chaleur, lumière, son ou mouvement), à chaque seconde.  La puissance est mesurée en watt (W), en l'honneur de James Watt.

La puissance électrique peut également quantifier l’énergie électrique transférée d’une place à une autre en une certaine période de temps.

Pour calculer la puissance, on se sert de la formule suivante :

                  Puissance (en watts) = énergie (en joules)/temps (en secondes)

                                                           P = E/t

On peut également se servir de la formule suivante, dépendant des informations données.

Puissance (en watts) = Courant (en ampères) X Tension (en volts)

P = IV

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Exemple

Un courant de 13,6 A passe à travers une plaque chauffante alimentée par une prise murale de 110 V.  Quelle est la puissance de la plaque?

Solution...

I = 13,6 A

V = 110 V

                                 P = IV

                                    = 13,6 x 110

                                    = 1 496 W

Alors 13,6 A passant dans une plaque chauffante électrique alimentée par une tension de 110 V donne une puissance de 1 496 W.  (ou on pourrait aussi dire 1,496 kW)

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Le coût de l'électricité

La production et la distribution d’énergie électrique sont coûteuses.

La compagnie d’électricité prend note de ce qu’affiche le compteur d’électricité de chaque client et cliente à intervalles réguliers.  Par commodité, la plupart des compagnies électriques quantifient l’énergie électrique dans une unité de mesure de kilowattheure (kWh).

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Exemple

Une famille consomme 3 000 kilowattheures d’énergie électrique sur une période de 2 mois.  Si l’énergie coûte 11 ¢ par kilowattheure, à combien s’élèvera la facture en électricité pour cette période?

Solution...

E = 3 000 kWh

Coût unitaire = 11 ¢ par kilowattheure

                                            Coût total = 3 000 kWh x 0,11 $/kWh

                                                             = 330,00 $

L’énergie électrique consommée en 2 mois dans cette résidence aura coûté 330 $.

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Exercices

1.  Quelle est la puissance (en watts et en kilowatts) d'un séchoir à cheveux utilisant un courant de 10 A pour fonctionner sur un circuit de 120 V ?

2.  Un téléviseur à écran de 68,5 cm absorbe un courant maximal de 2 A.  S'il est branché à un circuit de 120 V, combien de puissance consommera-t-il?

3.  Un four à micro-ondes de 900 W absorbe 7,5 A pour fonctionner.  Quelle est la tension du circuit auquel le four est raccordé ?

4.  Une lampe de poche utilisant deux piles de 1,5 V contient une ampoule qui peut soutenir un courant allant jusqu'à 0,5 A.  Quelle serait alors la puissance maximale de l'ampoule ?

5a) Si un réfrigérateur nécessite une puissance de 700 watts pour fonctionner, de quelle puissance en kWh aura-t-il besoin pour une période de 30 jours ?

b) Si l'électricité coûte 11 ¢ par kilowattheure, combien cela coûtera-t-il de faire fonctionner le réfrigérateur pendant cette période ?

6. Une propriétaire fait l'inventaire de 42 ampoules électriques (100 W) utilisées dans son domicile.

a) Si toutes les ampoules restent allumées durant une période de cinq heures par jour, combien de kilowattheures seront-ils consommés en 30 jours ?

b) À 11 ¢ le kilowattheure, combien en coûtera-t-il à la propriétaire pour faire fonctionner ces ampoules durant cette période ?

c) Combien d'argent la propriétaire économiserait-elle si elle remplaçait toutes les ampoules par d'autres à économie d'énergie de 52 W ?

7.  Robert possède une chaîne stéréo qui, fonctionnant sur le 120 V, consomme un courant de 2,5 A.

a) Combien de puissance la chaîne de Robert a-t-elle pour fonctionner ?

b) Si Robert faisait fonctionner sa chaîne stéréo en moyenne cinq heures par jour, combien d'électricité consommerait-il sur une période de 30 jours ?

8.  Trouve le rendement d'une ampoule fluorescente de 23 W utilisée quatre heures par jour et qui produit pendant cette période 6,624 x 10⁴J d'énergie lumineuse utile.

9.  Une ampoule à incandescence de 100 watts produit environ 6,624 x 10⁴ J d'énergie lumineuse sur une période de quatre heures.  Quel est le rendement de cette ampoule ?

10.  En te basant sur tes réponses aux questions 8 et 9, combien d'argent économiserais-tu en un mois de trente jours si tu remplaces 25 des ampoules à incandescence de 100 W par les ampoules fluorescentes de 23 W ?  Garde à l'esprit que les ampoules fonctionnent quatre heures par jour et que l'électricité coûte 10 ¢ par kilowattheure. 

La résistance

La résistance est une propriété des substances qui s’opposent au mouvement des charges électriques;  elle est responsable de la conversion de l’énergie électrique en une autre forme d’énergie.

P.ex. Lorsqu’un courant circule dans le filament à haute résistance de l’ampoule électrique, une grande partie de l’énergie associée au courant dans le filament est transformée en lumière et en chaleur.

Les facteurs influant sur la résistance d'un fil :

Les facteurs	Les effets
La longueur	La résistance augmente avec la longueur : si on double la longueur du fil électrique, la résistance double aussi.
La superficie transversale (circonférence)	La résistance diminue avec la superficie : si on double la circonférence du fil électrique, on diminue la résistance de moitié.
La température	La résistance est directement proportionnelle à une variation de température.
La composition	Les électrons se déplacent beaucoup plus facilement dans certains métaux que dans d'autres, à cause des différences de structures des atomes.

Animation - facteurs qui influencent la résistance dans un fil

L'unité SI de résistance est l'ohm, dont le symbole est la lettre grecque Ω (oméga).

Les dispositifs électroniques renferment des résistances dont la valeur varie grandement, de quelques millièmes d'ohm (ou milliohms) à des millions d'ohms (ou mégaohms).  On peut mesurer la résistance directement, avec un ohmmètre, mais la plupart du temps, les techniciennes et les techniciens emploient un instrument de mesure électronique, à fonctions multiples, appelé "multimètre".

On obtient la résistance en calculant le rapport de la tension (V) aux bornes de la charge et du courant (I) qui circule dans la charge.  Si on représente la résistance par R, alors l'équation mathématique de la résistance est :

R = V ÷ I       résistance  = tension (différence de potentiel) ÷ courant

L'équation donnée ci-dessus est appelée la loi d'Ohm.

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Exemple

Quelle est la résistance d'un radiateur électrique si un courant de 12,5 A y circule lorsqu'il est branché à une prise murale de 120 V ?

Solution...

I = 12,5 A

V = 120 V

R = ?

On calcule la résistance à l'aide de la loi d'Ohm.

R = V/I = 120 V/12,5 A = 9,60 Ω

La résistance du radiateur électrique est de 9,60 Ω lorsqu'un courant de 12,5 A y circule et qu'il est branché à une prise murale de 120 V.

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Les résistances variables

Dans un circuit, la résistance peut servir à contrôler le courant ou la tension, en fonction des besoins particuliers de divers autres appareils électriques du circuit.

Une résistance variable n'a pas une valeur fixe.  En fait, sa valeur change en fonction de la température, de la lumière, de la tension et d'autres facteurs.  On utilise des résistances variables dans une large gamme de dispositifs électroniques, depuis les simples gradateurs d'éclairage et contrôles de vitesse des moteurs jusqu'aux limiteurs de surtension et aux régulateurs de température des réfrigérateurs et des cuisinières.

Un rhéostat est un appareil permettant de contrôler l'intensité du courant électrique passant dans un circuit.

animation - rhéostat

Les appareils électriques et le rendement

Si une ampoule électrique était parfaite, toute l’énergie électrique qu’elle absorberait (énergie à l’entrée ou E totale) serait convertie en lumière (E utile, à la sortie).

Toutefois, il n’existe aucun dispositif qui ne soit un convertisseur d’énergie parfaitement rentable.  Une partie de l’énergie entrante est toujours convertie en chaleur perdue.

Tu peux exprimer le rendement sous la forme d’une pourcentage en utilisant la relation mathématique suivante :

                  % de rendement (efficacité) = énergie utile à la sortie  x  100 %

                                                                  énergie totale à l’entrée

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Exemple

Une bouilloire électrique laisse entrer 240 000 J en 4 minutes, le temps que l'eau prend à bouillir.  Si l’énergie minimale nécessaire pour chauffer l’eau est de 195 000 J, quel est le rendement de la bouilloire?

Solution...

Énergie utile à la sortie  = 196 000 J

Énergie totale à l'entrée = 240 000 J

Trouve le pourcentage de rendement.

Rendement = énergie utile à la sortie  x  100 %

                      énergie totale à l’entrée

                                        Rendement = 196 000  J x  100 %

                                                               240 000 J

                                                            = 81,7 %

Alors le rendement de la bouilloire est ~ 81,7 %.

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Questions de révision

Corrigé

Fiche "Le calcul de la résistance" - Recto Verso

Corrigé-recto 

Corrigé-verso

Les sources d'énergies renouvelables sont celles qui se recréent naturellement plus rapidement qu'on le consomme.  Ces ressources ne s'épuiseront pas.

P.ex. L'énergie provenant de la biomasse, du vent, de l'eau et du Soleil, ainsi que l'énergie géothermique.

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On appelle sources d'énergies non-renouvelables toutes les ressources qui ne se recréent pas naturellement, ou trop lentement considérant le rythme auquel on les utilise.  Les principales sources d'énergies non-renouvelables sont les énergies fossiles et l'énergie nucléaire.

Les énergies fossiles proviennent d'organismes végétaux et marins ayant vécu il y a des millions d'année.  Les résidus de ces organismes se sont transformés sous l'action de la température, de l'activité de l'écorce terrestre et de la pression. 

P.ex. Les énergies fossiles comprenant le pétrole, le charbon, le gaz naturel, le nucléaire sont le résultat de ce long processus.

Énergie mécanique: Énergie associée au mouvement. Pour qu'un objet bouge ou se déplace, il faut qu'il dépense de l'énergie mécanique.

Énergie chimique: Énergie qu'on retrouve dans les particules chimiques. C'est l'énergie nécessaire pour attacher des atomes ensemble dans des molécules.

Énergie thermique: Énergie qui fait augmenter ou diminuer la température de quelque chose. Plus un objet est chaud plus il a de l'énergie thermique.

Énergie électrique: Énergie qui se trouve dans les électrons et qui les permet de se déplacer d'un atome à un autre.

Énergie lumineuse : l'énergie du rayonnement des rayons (ou des ondes) du soleil ou d'autres sources de lumière.

Le pétrole

Le pétrole et le gaz naturel proviennent de l'accumulation de matière organique, généralement du plancton ou d'autres organismes microscopique dans un environnement aquatique.  Avec le temps, l'accumulation de sédiments et de matière organique dans le bassin forme une couche pouvant atteindre plusieurs kilomètres d'épaisseur.

Le gaz naturel

Le gaz naturel a la même origine que le pétrole, à la différence qu'il est enfoui beaucoup plus profondément.

Le charbon

Le charbon est également utilisé comme combustible.  Il est alors possible d'utiliser directement la chaleur dégagée pour chauffer, puisque même s'il est plus difficile à brûler que le bois, le charbon peut émettre une chaleur plus vive et plus durable.

C'est grâce a charbon que les machines à vapeur ont été inventées et sont ensuite devenues le moteur de la révolution industrielle. 

Nucléaire

L'énergie nucléaire est produite à partir d'un élément radioactif : l'uranium ou le plutonium.  L'avantage de l'énergie nucléaire est qu'il faut très peu d'uranium pour produire de très grandes quantités d'énergie.  De plus, le nucléaire ne produit que très peu de déchets atmosphériques.  Toutefois, les déchets radioactifs qui en résultent doivent être entreposés avec des normes de sécurité très strictes, car la radioactivité est dangereuse pour les humains.

La biomasse

L'énergie de la biomasse est une forme d'énergie solaire captée par la végétation et exploitée sous forme de combustible.  Ainsi, le bois, les copeaux de bois et même les déchets peuvent être incinérés de façon à produire de la vapeur qui sert au chauffage.

Le vent

C'est à partir de la différence de pression barométrique entre des masses d'air chaud et d'air froid que naissent les vents.  La force des vents actionne les pales de l'éolienne, générant un mouvement de rotation.  Cette rotation se transforme ensuite en énergie mécanique, qui, lorsqu'elle est couplée à une génératrice, produit de l'électricité.

Le soleil

L'énergie du soleil est une source d'énergie qui dépend du Soleil.  Cette énergie permet de fabriquer de l'électricité à partir de panneaux photovoltaique ou des centrales solaires thermiques, grâce à la lumière du soleil captée par des panneaux solaires.

L'hydroélectricité

Depuis la fin du XIXe siècle, nous utilisons la force du courant d'eau des fleuves, des rivières, et chutes et même des marées pour générer de l'énergie électrique. L'homme a construit des barrages pour retenir l'eau des lacs et des rivières dans des réservoirs puis l'acheminer vers des turbines.  Sous l'impulsion de l'eau, ces turbines activent des génératrices qui produisent alors de l'électricité, sans émettre de chaleur ou de gaz nocifs pour l'environnement.

Énergie géothermique

Chaque jour, notre planète absorbe de l'énergie solaire qu'elle stocke dans le sol.  Cette chaleur emmagasinée dans le sol peut être captée et transformée pour chauffer des maisons individuelles.

Grille d'évaluation - Les avantages et les désavantages des sources d'énergie électrique

Du magnétisme à l'électricité...

L'idée de la première génératrice remonte à la découverte, en 1820, de Hans Christian Oersted et d'André-Marie Ampère.  Ils ont remarqué que l'électricité et le magnétisme étaient liés.

Le même phénomène se produisait lorsque l’aimant était déplacé par rapport au fil.

Aussitôt que le mouvement s’arrêtait ou que les mouvements de l’aimant et du fil devenaient parallèles l’un à l’autre, la tension disparaissait.

                                      

    

Nous avons pu ensuite appliquer ce principe pour produire de l'électricité de façon continu, en se servant d'aimants et d'électroaimants.

L'appareil convertissant l'énergie mécanique en énergie électrique s'appelle une génératrice.

En fait, une grande partie de notre électricité parvient de l'énergie mécanique convertie.  Une force extérieure, souvent fournie par la vapeur, des chutes d'eau ou du vent fait tourner un rotor (un anneau de fils conducteurs à l'intérieure d'un aimant permament (stator).

Il existe deux types de génératrices :

Génératrices à courant alternatif (alternateurs)

Les électrons dans le fil commencent à se déplacer vers une de ses extrémités aussitôt que le rotor se met à tourner.  Après un demi-tour du rotor, chacune de ses extrémités passe à proximité du pôle opposé de l'aimant permanent.  Afin d'éviter que les pôles opposés du rotor et de l'aimant permanent s'attire avec une telle force que le rotor arrête de tourner, le courant dans le rotor change de direction, causant un change dans les pôles du rotor.  Maintenant, au lieu d'être attirer par les charges de l'aimant permanent, les pôles portent des charges semblables et se repoussent, causant le rotor de tourner dans la direction opposé, jusqu'à ce que les charges des pôles opposées se rencontre à nouveau et que le courant du fil du rotor change de direction à nouveau.

Génératrices à courant continu (dynamos)

Comme dans la génératrice à courant alternatif, les électrons commencent à se déplacer vers une de ses extrémités aussitôt que le rotor se met à tourner.  Puisqu'après un demi tour, les pôles opposés du rotor et de l'aimant permanent se rapprochent, ce qui risque immobiliser le rotor, un appareil appelé commutateur coupe le courant au fil temporairement pour éliminer les pôles du rotor afin d'empêcher que celle ci s'immobilise.  Avec le momentum du mouvement du rotor, elle continue cependant à tourner.  Lorsque les extrémités dépassent les pôles de l'aimant permanent, le courant est retourner pour ré-établir les pôles magnétique du rotor pour créer la force d'attraction qui maintient son mouvement à l'intérieur de l'aimant permanent.

La pile galvanique

La pile galvanique est une pile composée de deux métaux différents plongés dans un liquide.

Les métaux s'appellent des électrodes : ce sont les éléments de la pile qui font entrer ou bien sortir l'électricité.  Le liquide qui entoure les électrodes doit contenir un électrolyte, une substance dans un liquide, capable de conduire l'électricité.  Plus l'électrolyte est concentré, plus le tension de la pile sera élevée.

Les substances acides sont les meilleurs conducteurs d'électricité dans une pile électrolytique.  Plus l'acide est concentré, mieux elle pourra conduire l'électricité.

Les substances ioniques conduisent aussi bien l'électricité, tandis que les substances moléculaires ne laissent pas bien passer les électrons et sont donc de mauvais conducteurs d'électricité.

P.ex. Ci-dessous est une pile fabriquée à partir d'un citron.  Le clou est fait de zinc, qui a tendance à perdre les électrons.  Le cent est fabriqué de cuivre.  Le cuivre, lui, tendance à prendre les électrons du zinc.  L'électrolyte de la pile à citron c'est l'acide du citron.

La pile fonctionne parce que l'une des électrodes gagne des électrons (cathode) alors que l'autre électrode en perd (anode).  Quand tu attaches les pinces crocodile aux deux métaux et tu touches l'ampoule avec les pinces, tu formes un circuit électrique qui permet le passage d'un courant électrique. 

Certaines piles sont connues sous le nom de "piles sèches" car l'électrolyte consiste non pas en un liquide, mais en une substance fondue ou une pâte.

P.ex. Les piles qui sont couramment utilisées aujourd'hui sont des piles sèches car elles contiennent des pâtes au lieu de liquides pour conduire l'électricité.

Les réactions chimiques ayant lieu dans une pile déterminent la différence de potentiel (ou tension) de celle-ci.    Pour obtenir une tension plus élevée, on utilise une pile formée de plusieurs cellules reliées en série.

Les piles primaires sont des piles non-rechargeables.

Dans les piles secondaires, ou rechargeables, les réactions chimiques sont réversibles.  Un chargeur fait passer un courant électrique dans la pile "morte", ce qui entraîne la formation des substances chimiques initiales, de sorte que la pile peut être réutilisée.

La pile voltaïque

La pile de Volta est formée par un empilement de petits disques de cuivre et de zinc alternés. Chaque disque de cuivre est séparé du disque de zinc adjacent par un tissu imbibé de saumure (de l'eau salé) alors que le disque de cuivre suivant est en contact direct avec le disque de zinc. De cette façon, on a un empilement : cuivre, saumure, zinc, cuivre, saumure, zinc, cuivre, saumure, zinc, cuivre...

Ici, comme dans la pile galvanique, les électrons du disque de cuivre se rendent au disque de zinc par l'eau salé.  Le plus de disque que la pile comporte, le plus élevé la tension.

P.ex. Un exemple d'une pile volta.

Questions de révision

Corrigé

Les conducteurs et les isolants

Un isolant est une matière (p.ex. le caoutchouc et le bois) dans laquelle les électrons ne passent pas facilement d'un atome à un autre.

Un conducteur est une matière dans laquelle les électrons se déplacent facilement entre les atomes. (p.ex. l'argent et le cuivre)

Un semi-conducteur est une matière dans laquelle les électrons se déplacent assez bien entre les atomes. (p.ex. le nichrome et le tungstène)

Les fils, les fusibles et les disjoncteurs

Le seul métal qui soit meilleur conducteur d'électricité que le cuivre, c'est l'argent. 

Les fils de cuivre peuvent transporter beaucoup de courant électrique.  Cependant, s'ils en transportent trop, ils se réchauffent, et peuvent même causer un incendie.  C'est pourquoi les circuits dans une maison contiennent des fusibles ou des disjoncteurs : si l'on allume trop d'appareils électriques et les fils se réchauffent, cela fait fondre ou plier un fusible, coupant ainsi le courant.

Fusible : laisse passer le courant, mais si le courant devient trop intense, un fil à l'intérieur du fusible se réchauffe et fond, ce qui coupe le circuit.  Cela empêche l'électricité de circuler.  Aucune électricité ne peut passer dans ce circuit jusqu'à ce qu'on remplace le fusible qui a sauté.

Disjoncteur : produit le même effet que le fusible - il est équipé d'interrupteurs qui arrêtent la circulation du courant lorsqu'il devient trop intense.