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Electricité, toutes ces notions, beaucoup de mal

Posté par
colro51
12-03-11 à 16:13

Bonjour tout-le-monde.

Je suis en TS et j'éprouve des difficultés à apprendre les cours sur l'électricité, notamment sur les circuits RC/RL parce-que j'ai le "défaut" de vouloir comprendre un minimum concrètement pour ça. J'ai déjà essayé de demander et j'ai reçu de bonnes réponses mais je ne suis toujours pas assez informé, j'arrive pas à faire le lien entre tout ça.

Ne pourriez-vous pas me faire un résumé (ou un site sur lequel il y en a un) de tout ce qui concerne un circuit (de base)? La notion d'électricité, d'intensité, de TENSION (j'ai beaucoup de mal), de résistance, de courant continu/alternatif(?), de générateur, mais aussi de puissance et d'énergie électrique...

Après quoi je vous poserais des questions si je n'ai pas tout saisi.
Vous me rendriez un fier service!

merci

Posté par
magisterien
re : Electricité, toutes ces notions, beaucoup de mal 12-03-11 à 16:56

Bonjour colro51,

N'as-tu rien trouvé dans les fiches qui sont publiées sur ce site, les notions qui te font défaut ?

Si ce n'est pas le cas, essaye de nous poser qu'une seule question à la fois en commençant par celle que trouve la plus importante pour toi. Sache qu'il n'y a aucune question facile ni "bête" à demander.

Posté par
colro51
re : Electricité, toutes ces notions, beaucoup de mal 12-03-11 à 17:21

Non, justement, je trouve quelques infos. sur les fiches du site (ou dans mes cours) mais, non seulement, elles sont généralement le minimum à savoir pour pouvoir apprendre les formules, mais en plus le lien entre ces notions n'est pas forcément établi. Or j'ai du mal à apprendre quelque chose sans le comprendre concrètement, surtout en physique.

Donc, déjà, le courant est un déplacement d'électrons dans un métal, non?
deux questions :

- Que se passe-t-il quand il arrive à un dipôle? (énergie, puissance, tension, intensité etc...).
- Qu'est un générateur (comment délivre-t-il une intensité, ou une tension? D'ailleurs, QU'EST-ce qu'il délivre?)


Voilà, c'est déjà pas mal mais j'ai réduit mes questions :p

Posté par
colro51
re : Electricité, toutes ces notions, beaucoup de mal 12-03-11 à 17:22

(merci pour ta réponse)

Posté par
magisterien
re : Electricité, toutes ces notions, beaucoup de mal 12-03-11 à 18:40

En lisant ton point de vue qui me fait plaisir je serais tenté d'entrer dans le débat du système éducatif français qui privilégie
la formation de "robots" capablent d'effectuer des calculs et d'appliquer des formules par coeur, ce que je ne ferais pas bien entendu.

"Comprendre concrètement" l'électricité dans les circuits, demande à ton niveau avant-tout de se forger une intuition personnelle
de ce qu'est l'électricité et les notions d'énergies associées.

- Le courant est en effet un déplacement d'électrons. La question qu'on peut se poser c'est pourquoi les électrons peuvent se déplacer
dans les métaux et pas dans d'autres matériaux comme le verre par exemple. Cette qualité des matériaux qu'on distingue par les termes
"conducteurs" ou "isolant" ne peut être répondu et différenciée correctement que par la théorie quantique de la matière qui nécessite plusieurs années d'études supérieures
(admirer comment je vends l'intérêt de faire des études supérieures en physique, bref). Pour toi, tu as simplement besoin de savoir
que dans les métaux les électrons peuvent évoluer librement et se déplacer dans tout le matériau (si tu veux, sauter d'un atome à un autre)
alors que dans les isolants ils sont contraints à rester au voisinnage de leur atome.
Comme toutes charges électriques, les électrons sont soumis à des forces d'attraction ou de répulsions (Coulomb) qui peuvent les forcés
à être mis en mouvement dans telle ou telle direction avec telle ou telle "efficacité" (on parle de forces électromotrices dont on ne te demande
pas de connaitre l'origine)
- Important à savoir : un générateur ne fournit pas d'électrons ! Il met en mouvement les électrons déjà présents dans les métaux qui sont réliés
au générateur par l'action de telles forces électromotrices. Ce mouvement d'électrons (ce courant) répresente donc une énergie cinétique (électrocinétique).
L'origine de ce mouvement vient du travail effectué par les forces électromotrices sur les électrons pour les mettre en mouvement dans une certaine direction avec telle vitesse.
Le travail fourni par une force par unité de temps est ce qu'on appelle en physique classique la puissance ! Car ce n'est pas le tout de pouvoir
effectuer un travail encore faut-il pouvoir l'effectuer de manière constante au cours du temps par exemple.
- La tension U, connu aussi sous le nom de différence de potentiel (ddp), est une différence d'ENERGIE potentielle électrique.
Si tu te rappelles également tes cours d'énergie mécanique, tu dois savoir que pour exister en un point donné de l'univers, il faut contrer
toutes les forces qui s'opposent à exister en ce point. Pour monter sur une colline, il faut contrer la pesanteur. Il faut founir une énergie, dans ton cas musculaire, mais pour un ballon,
donner son énergie cinétique. Le travail effectué contre une force pour aller d'un point A vers un point B est ce qu'on appelle l'énergie potentielle.
Et pour les charges, la force, s'est une force électrique, mais les notions sont les mêmes.

Pour qu'un électron se trouve en un point donné d'un circuit il faut qu'il ait suffisamment d'énergie cinétique pour surmonter les forces qui l'empèche d'avancer.
Or son énergie cinétique électrique, lui est fournie par les forces électromotrices du générateur. Pour une résistance, tu peux dire qu'il subit des forces
de frottement, il perd de l'énergie cinétique, (cette énergie n'est pas "perdu" mais transformée en énergie calorifique, loi d'Ohm).
Le travail de ces forces de frottement sur le parcours de l'électron dans la résistance (donc entre ses bornes) représente donc une variation d'énergie potentiel (on parle de chute de tension aux bornes de la résistance).
Pour résumer, l'électron arrive initialement avec une certaine vitesse (énergie cinétique) dans la résistance. Des forces de frottement s'opposent
à son passage dont les caratéristiques sont cachées derrère la valeur de R.

- Comme tu peux le voir on raisonne beaucoup en terme d'énergie. Au final, EDF ne te vend pas des électrons, il te fais payer la perte d'énergie
des électrons qu'il met en mouvement dans son réseau de cables métalliques (car pour mettre en mouvement les électrons il faut de l'énergie à la base, il faut nourrir le gros hamster qui fait tourner la turbine nucléaire). (Les électrons se déplace à environ un tier de la vitesse de la lumière
dans le cuivre, or EDF délivre une tension alternative, les électrons font un va et vien 50 fois par second (50Hz) dans tous le réseau national).
Pour simplifier grandement, en branchant un radiateur électrique sur une prise dans ta maison qu'on va modéliser par une grosse résistance ohmique, les électrons qui passent par la résistance
donnent une partie de leur énergie électrocinétique qui est transformé en chaleur. Pour avoir une température donnée constante par le radiateur tu peux
calculer qu'elle doit être l'énergie de chaleur fournie par unité de temps (donc la puissance ) électrique qu'il faut fournir au radiateur. Et si tu veux, le compteur électrique dans ta maison
regarde combien d'énergie a perdu les électrons.


Je ne suis pas aller dans les détails partout. A toi de poser des questions si tu veux des précisions !
Et je m'excuse aussi pour toutes les fautes d'orthographes aberrantes et oublis de mots qu'on pourrait trouver. Je dois enchaîner plusieurs langues.

Posté par
colro51
re : Electricité, toutes ces notions, beaucoup de mal 12-03-11 à 19:03

Oui en effet, pour former ingénieur et contribuer au progrès des machines (étant censé provoqué celui de l'Homme) le plus tôt possible, on néglige le concret et certains, dont moi apparement, doivent avoir une approche concrète des choses et ne pas bêtement apprendre. Mais bon, c'est le système et, en effet, ne nous lançons pas dans ce genre de débat philosophique/social qui risquerait de durer et de ne finalement pas nous apporter grand chose.
Tout d'abord, pour être honnête, ta réponse soulève de nouvelles questions dans mon esprit tordu.

Mais, même si je veux une approche globale et très imprécise sur ces domaines, pourrais-tu développer (pas trop non plus) le fait que dans les métaux, les atomes doivent s'échanger des électrons? C'est la règle de l'octet etc... (tu vois, c'est l'exemple flagrant que j'ai du mal à faire le lien entre les notions que je connais). Tout comme le fait que dans une solution, il n'y ait pas d'électron libre, faut le comprendre aussi ça (à moins que ce ne soit ce que j'ai appris en seconde, à savoir qu'une molécule d'eau se rattache à cet électron pour former un H3O+ mais bon, ça ferait une charge négative...).
Je ne prévère même pas parler des lois d'attraction et de répulsion qui sont censées être logiques et acquises pour moi (ce qui n'est pas le cas lol), domaine encore plus vaste.

Je dois aboslument revoir le cours sur le TRAVAIL ? Car je n'avais rien compris en 1ère (j'avais détesté et ça m'avait un peu fait lâché la physique).

Je pense qu'à certains moments, tu peux te permettre d'être plus vague et plus approximatif, il me faut juste comprendre concrètement, si je cherche les détails de tous les mots, ma vie ne suffirait pas à ce simple problème d'électricité, lol. (ex: la métaphore, ou comparaison, avec le hamster m'a donné une nouvelle approche de l'énergie).

C'est la tension qui demeure un mystère pour moi, pour simplifier et ne pas que je sature, ne pourrais-tu pas (tu peux quand même répondre au début de cette réponse ) essayer d'expliquer concrètement la tension ? (je sais que c'est une différence de potentiel, mais ça ne suffit pas, par exemple : quel potentiel? etc...).

Je sais que je t'en demande beaucoup , fais ce que tu peux sinon c'est pas grave
en tout cas, merci pour ta réponse, tu m'as appris beaucoup de choses!

Posté par
magisterien
re : Electricité, toutes ces notions, beaucoup de mal 12-03-11 à 20:51


Je ne te demande pas de revoir tout le cours sur le travail, mais tu en connaître la définition et la signification physique.
Je dirais que c'est surtout la notion d'énergie qu'il faut bien saisir. Et le mot "notion" prend tout son sens dans le fait que c'est un concept,
et il faut essayer de comprendre ce que represente cette notion dans la nature.
Pour la partie cinétique c'est plus intuitif et je n'ai sans doute pas besoin d'y revenir.



Pour la question sur la conduction dans les métaux :
La matière est composé d'atomes. La plupart des formes solides sont soient des structures ordonnées d'atomes, exemple le Cuivre de ton fil électrique, ou bien des structures désordonnées
, exemple : le verre de ta vitre (c'est d'ailleurs pour çà que la lumière passe à travers).
Imagine un cube aux quatres coins duquel tu as un atome de Cuivre, et ajoute également au centre des 6 faces un atome de Cuivre. Voici la structure de base du Cuivre sous forme solide, il faut que tu imagines
des milliards d'atomes dans un fil arrangés de manière "périodique". La vision classique qui date d'un siècle et qui n'est pas la vision la plus avancée de la physique moderne, constitue à imaginer un modèle planétaire
pour les électrons dans l'atome qui orbitent autour d'un noyau de protons (chargé positivement) et neutrons.
Dans l'atome les électrons négatifs sont attirés par les protons positifs, et si tu veux pouvoir mettre en mouvement les électrons librement, il faut littéralement les "arrachés" de ce lien avec le noyau.
Le Cuivre a 29 électrons, et tu te doutes bien qu'il sera plus "facile" d'enlever l'électron sur l'orbite la plus éloignée. Maintenant le fait que tu aies cette structure périodique d'atomes très voisins fait que le mouvement des électrons
d'un atome influence le mouvement des électrons des atomes voisins. Et en moyenne on dit donc que dans les conducteurs les électrons peuvent se déplacer librement contrairement à un isolant où les noyaux exercent une force beaucoup plus forte sur les électrons.
Tu peux sentir que la frontière entre isolant et conducteur s'arrête dès que tu as la possibilité de soumettre le matériaux à une force électrique suffisante pour briser ce lien.

En résumé, pour avoir un courant à l'échelle macroscopique (à l'échelle d'un fil), il faut que les électrons puissent progresser en dehors de l'atome. Prenant l'exemple de l'air qui est un très bon isolant. L'air est un gaz de particules en mouvement donc non ordonnées, et comme tout gaz la distance entre les atomes
est grande par rapport à celle entre les atomes d'un cristal de cuivre. Pour avoir un courant dans l'air il faut exercer une force électrique très grande pour que les électrons puissent être arraché à l'atome, il y a une seuil dit de "claquage" ou tu peux observer un courant d'électrons passé dans l'air (la foudre, ou bien un arc électrique).
L'air devient conducteur.
Dans les métaux conducteurs dont que l'on a des électrons libres. On va donc pouvoir les mettre en mouvement sous l'action d'une force électrique.


Pour la question de la tension :
Imagine que tu es en bas d'une colline avec un pierre énorme et tu veux la faire monter au sommet de la colline. Pour cela tu dois dépenser de l'énergie pour contrer la force de pesanteur qui est dirigée dans le sens opposé de ton mouvement verticalement.
Il faut fournir un travail contre la force de pesanteur pour arriver au sommet. Et plus la distance à grimper est grande, plus le travail à fournir sera grand ainsi donc que l'énergie totale dépensé. Si le travail que tu fourni au cours du temps (la puissance) est faible, alors tu va monter très lentement.
Au contraire, si tu as une puissance musculaire dans les jambes équivalente à celle de deux chevaux ( au sens même automobile du terme ! )  alors tu va grimper plus vite (plus facilement pourrait-on en déduire).
Lien avec l'énergie potentielle de pesanteur :
La différence d'énergie potentielle entre deux points de l'espace est égale au travail fourni CONTRE (mathématique = signe -) la force de pesanteur le long de la trajectoire entre les deux points. Si la différence d'énergie potentielle entre deux points A et B est positive c'est-à-dire si l'énergie potentielle en A (sommet de la colline) est plus grande que celle en B (pied de la colline) alors
il faut fournir un travail et donc dépensé de l'énergie pour aller de B vers A. En revanche, pour aller de A vers B, la différence de potentielle est négative, cela signifie que le travail à fournir est mathématiquement négatif ce qui signifie physiquement que c'est la force de pesanteur qui te donne de l'énergie, sous forme cinétique.

Pour l'électricité.
Tu sais que la direction de la force exercée sur une charge dépend du signe de la charge ! ++ et -- se repoussent mais +- s'attirent. (D'ailleurs hélas par convention, en électricité on a choisi le sens du courant comme celui correspondant à un courant de charges positives alors que le "vrai" courant d'électrons est dans le sens opposé pour la raison donnée juste avant.
Imagine tout d'abord un fil de cuivre aux extrémités duquel on a placé une charge positive (disons en A) et à l'autre extrémité en B une charge équivalente mais de signe opposée.
Les électrons de charge négative vont etre attiré par la charge + et repoussé par la charge -. Ils vont se déplacer de B vers A dans le fil à une certaine vitesse qui décroit rapidement au cours du temps jusqu'à ce que le courant soit nulle. (Pourquoi ?,  l'accumulation de charges - autour de la charge + "écrante" sont effets, comme un rang d'enfants qui a le choix entre un marchand de glace
et un marchant d'épinard, et les derniers s'entassent derrière les autres si tu veux).
Dans ce cas, les électrons ont été mis en mouvement par la force attractive de la charge +, et repoussé par la charge -. Si tu veux qu'un électron s'approche de la charge - il va falloir l'aider pour contrer la force répulsive --. L'énergie potentielle en B est plus elevé pour un électron qu'en A. La différence d'énergie potentielle aux bornes du fil, qu'on appelle la tension, te donne le travail qu'il faut fournir
à une unité de charge pour aller de A à B ou B à A selon la convention de signe. (Le Volt est unité d'énergie par coulomb !).

Imagine que les extrémités du fil sont en permanence en contact (par le biais de boules métalliques) avec deux charges + et - diamétralement opposées situées sur la roue du hamster.
Le hamster fait un tour de roue, là où se trouvait la charge + en A et la charge - en B maintenant se trouve la charge - en A et + B. Les électrons vont donc être attiré par l'extréimité B etc etc et vont donc avoir un mouvement alternativement de va et vien dont la période est lié à la période de rotation de la roue.

Faut nourir le hamster pour faire tourner la roue. (Pour faire tourner une turbine dans un centrale nucléaire il faut faire chauffer de l'eau, avoir de la vapeur et faire tourner la roue sous la pression). Ou bien utilisé l'énergie de cinétique d'un cours d'eau devalant, fournie par la pesanteur.

J'espère que tu auras compris pour ce soir, ce qu'est la tension en terme de différence d'énergies potentielles.

Posté par
magisterien
re : Electricité, toutes ces notions, beaucoup de mal 12-03-11 à 20:59

désolé pour les contractions de mots et autres surprises !

Posté par
colro51
re : Electricité, toutes ces notions, beaucoup de mal 12-03-11 à 21:14

ahah pas de problème, ça met du piment dans la lecture (non je rigole :p).
j'essaye de tout lire et de tout assimiler pour te répondre



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