ELECTROMAGNETISME
ELECTRICITE

autre dossier

Introduction

Electrostatique (électricité statique ou électricité de frottement), electrocinetique ( étude du courant électrique)  et magnetisme ont d'abord été étudiés comme des phénomènes physiques séparés.  Au XIX ème siècle le physicien écossais James Clek Maxwell a montré qu'ils constituaient 3 branches d'une discipline unique: l'électromagnétisme. Il rassembla toutes les lois physiques décrivant les phénomènes électriques et magnétiques dans 4 équations mathematiques complexes appelées équations de Maxwell.  Tout phenomene electrique, magnetique ou electromagnetique peut etre expliquee par ces equations. Ses travaux permirent à Hertz de décrire les ondes électromagnétiques (rayons Gamma, rayons X, Ultra-violet, lumière visible, Infra-rouge, ondes radio).

Electrostatique

L'électrostatique s'intéresse aux charges aux repos et aux forces qui s'exercent entre elles.  Lorsque que tu frottes tes pieds sur une moquette en laine et que tu touches ensuite une poignée en métal tu reçoit une petite charge.  En frottant tes pieds sur la moquette tu lui arraches des électrons (particule chargée négativement) et ton corps, initialement neutre (ni positif, ni négatif)  reçoit une  charge négative excédentaire appelée électricité statique.  Lorsque tu touches la poignée la charge négative accumulée se déplace vers la poignée et tu ressent un picottement. Ton corps est conducteur et permet aux charges de s'écouler vers la poignée également conductrice.  source dessin: Enchanted Learning

Lorsque tu frottes un ballon de baudruche sur tes cheveux le ballon (initialement neutre), par frottement, accumule une charge négative excédentaire.  Si tu approche le ballon chargé négativement du mur il y adhère.  Dans ce cas il n'y a pas circulation de charges car le mur et le ballon sont des isolants et n'en autorisent pas le déplacement.  Les charges négatives du ballon attirent les charges positives des atomes de la surface du mur.  source dessin: Enchanted Learning
 
 

Que se passe t'il?

La matière qui nous entoure est constituée d'éléments chimiques appelés atomes (on en compte 106 classsés dans un tableau suivant leur masse par Mendeleïev en 1871).  Un atome est formé d'un noyau chargé positivement autour duquel se déplacent des électrons chargés négativement (en noir sur le dessin).  L'ensemble est électriquement neutre.  Le noyau est lui même formé de protons (en rouge) chargés positivement et de neutrons (en bleu) neutres.  Il y a autant de protons que d'électrons.  Un proton possède donc une charge égale et opposée à celle d'un électron afin que l'atome soit neutre (autant de charges positives que de charges négatives).  Les électrons chargées négativement sont attirés par le noyau chargé positivement et gravitent autour un peu comme les planètes gravitent autour du soleil.  Il faut savoir que 2 charges de même signe se repoussent et que 2 charges de signe contraire s'attirent.

Attache deux ballons à une ficelle et frotte chacun d'eux sur des cheveux secs.   Des électrons appartenant aux atomes de tes cheveux sont arrachés par frottement et sont localisés sur les ballons. Si tu approches les ballons (en les tenant par les ficelles) ceux-ci se repoussent. Tes cheveux eux possèdent une charge négative positive car leurs atomes ont perdu des électrons.  Ils se repoussent et se dressent sur ta tête.
 
 
 

Si tu approches un ballon chargé négativement de petits morceaux de papier ceux ci se collent sur celui-ci.  Le ballon modifie (par induction électrostatique) la répartition des charges dans le papier: les charges négatives attirent les charges positives des atomes de papier. Les electrons sautent du nuage vers le sol et liberent une energie enorme.
 
 

L'électrostatique explique aussi les éclairs.  Dans un nuages les charges positives et négatives ne sont pas réparties uniformément.  Des charges négatives s'accumulent à la base du nuage et modifient la répartition des charges au sol.  Quand les conditions climatiques sont favorables une décharge se produit entre la base du nuage et le sol.
 
 
 

Generateur de Graaf. Cette appareil produit de l'electricite statique.
La boule en metal que touche la jeune fille est chargee positivement.
Le metal est conducteur et les charges positives se repartissent
uniformement sur la surface de la boule.
Si tu touches la boule et si tes pieds se
trouvent sur une surface qui t'isole du sol, les charges s'accumulent
dans ton corps et  tes cheveux. Les cheveux sont charges positivement
et se repoussent. Les charges ont toujours tendance a s'accumuler
sur les extremites. Le corps humain est conducteur
et laisser circuler les charges. Si tu es en contact avec le sol, les charges
au lieu de s'accumuler
circulent vers le sol et tu ressens une decharge, un courant electrique. Le generateur se decharge et un courant electrique
traverse ton corps. C'est ce qui arrive aussi si une personne met ses doigts dans la prise... les charges circulent
dans son corps pour arriver jusqu'au sol. Cela peut etre mortel. A gauche le generateur de GRaaf. Une ceinture (courroie)
collecte les charges et les amene vers le haut, sur la boule.

Voici un site avec une liste de ressources sur le'ectrostatique. Pour completer tes connaissances.
dossier electrostatique en anglais. explications sur le generateur de Van Graaf.

Voila un electroscope qui demontre la difference entre conducteur et isolant. Si tu frotte un baton en plastique avec de la laine tu obtiens une accumulation de charge sur le baton. (main de gauche). Tu as arrache, par frottement, des
electrons et le baton est charge positivement. Les charges ne peuvent pas s'ecouler par ton corps vers le sol car le plastique est un isolant. Il ne laisse pas les charges circuler librement. Si tu approches le baton d'une boule en metal (un conducteur appele electroscope )tu attire des charges negatives qui vont s'accumuler en face du baton. Tu induis une accumulation de charges negative a gauche. Tu ne touches pas la boule. Si en meme temps tu touches la boule de l'autre cote (main droite) les charges negatives vont circuler de la boule vers ta main et a travers  ton corps vers le sol. Ton corps et la boule sont des conducteurs et laisse circuler les charges.Si tu t'eloignes de la boule elle se retrouve chargee positivement. Un electroscope sert a accumuler des charges positives ou negatives et a les isoler.

Voici un autre electroscope. La boule est un isolant en verre. La petite boule (avec des +)
est un conducteur en metal relie par une tige en metal rigide (conducteur) a 2 petites
feuilles metalliques legeres qui peuvent se mouvoir. (feuilles aluminium).
Lorsque tu approches un isolant charge des charges positives s'accumulent
dans la boule attirees par le baton. Elles sont libres de circuler dans le conducteur. Les charges negatives  s'accumulent a l'autre extremite et se repoussant elles eloignent les feuilles les unes des autres. Tu as reussi a separer des charges electriques.

Electroscope. Lorsque les feuilles ont un exces de charges, elle bougent et s'eloignent l'une de l'autre/
Les charges de meme signe se repoussent.

Electrocinétique

L'électrocinétique s'intéresse aux courants électriques c'est à dire à la circulation des charges dans les conducteurs.  On disntingue 2 sortes de matériaux.  Les matériaux conducteurs dans lesquels les charges peuvent circuler (métaux, graphite, solutions ioniques, corps humain) et les matériaux isolants qui n'autorisent pas la circulation de charges (air sec, plasque, bois, papier ..).  Les objets en métal sont de bons conducteurs.  Ils possèdent des électrons faiblement liés à leur noyau appelé électrons libres et qui peuvent circuler d'un bout à l'autre du métal si on aplique à celui ci une différence de potentiel (sorte de dénivéllation électrique).

Par exemple, si tu touches un ballon chargé négativement (ou positivement) celui-ci se déchargera immédiatement car ton corps conducteur autorise le déplacement des charges qui s'écouleront à travers ton corps vers le sol.  Il y a une différence de potentiel entre tes doigts en contact avec le ballon chargée négativement  et tes pieds en contact avec le sol neutre.  C'est cette dénivellation électrique qui permet la circulation de charge.
 
 
 
 
 

Pour obtenir un courant électrique continu il faut créer un circuit électrique (flux d'électrons libres) fermé comprenant un générateur (pile, générateur, dynamo) , un intérrupteur et des récepteurs (lampe, moteur, télé, machines électriques ...).  Le générateur applique entre les deux extrémités du fil électrique une différence de pontentiel qui permet aux électrons libres du fil de cuivre de circuler d'une borne à l'autre du générateur.  Dans un circuit l'énergie électrique fournit par le générateur est convertit en rayonnement (lampe) , en mouvement (aspirateur) en son (radio) , en chaleur (radiateur) ...    source dessin: The Learning Channel.
 

Magnétisme - électromagnétisme

Les aimants

Le magnétisme désigne l'ensemble des forces invisibles exercées par les aimants et les courants.  Les aimants sont des parties essentielles à de nombreux objets comme les sonnettes, les moteurs, les micros, les téléphones, les dynamos et alternateurs ... Seuls quelques métaux peuvent être magnétisés et devenir des aimants.  Ce sont le fer, le nickel et le cobalt ainsi que tout alliage composé d'un de ces 3 métaux.  Il existe une roche qui est un aimant naturel: la magnétite (oxyde de fer).  Il y a 1500 ans elle servait à nos ancêtre pour s'orienter.  En effet, un aimant libre de tourner sur lui même (attaché à un fil par exemple) s'oriente selon l'axe Nord-Sud de la Terre. Ainsi une boussole contient une aiguille aimantée qui indique le Nord géographique.  Chaque aimant a deux pôles: le pôle Nord et le pôle Sud.  Des aimants peuvent se repousser si on tente de rapprocher deux pôles Sud ou deux pôles Nord ou s'attirer si on approche un pôle Sud d'un pôle Nord. Un aimant créé dans l'espace qui l'entoure un champ magnétique.
Voici une video pour comprendre le magnetisme et electromagnetisme. En anglais.

champ magnétique terrestre. La terre se comporte comme un aimant barre.
Le pôle Nord magnétique est au Sud géographique et vie et versa.
Le champ est créé des mouvements de fluides dans le noyau externe qui
contient du fer et du nickel. tout se passe comme des courants
circulaient à l'intérieur de la Terre créant un champ magnétique. Sur ce site : de belles illustractions pour expliquer la magnetosphere. 
Liste de sites sur la magnestime

De la limaille de fer est utilisee pour visualiser le champ magnetique cree par un aimant.
Les petits grains de fer s'orientent parallelement au champ magnetique.
Ce champ magnetique d'un aimant barre ressemble beaucoup a celui produit
par notre Terre. Tout ce passe comme ci la Terre avait un enorme aimant barre
a l'interieur  qui salligne presque avec son axe. En fait, c'est la circulation
de  charges a l'interieur de son noyau externe qui cree ce champ magnetique
qui ressemble a celui d'un aimant barre. Une cirulation de courant (electrons)
ou de charges cree un champ magnetique.

C'est en 1819 que, par hasard, lors d'une conference sur l'electricite, le DAnois Hans Chrisitan Oersted decouvrit que
le courant electrique cree un champ magnetique. Un courant dans un cricuit fait devier l'aiguille d'un aimant.
Une  boucle de courant se comporte comme un aimant barre. Cette idee fut reprise par le Francais Andre
Marie Ampere qui completa l'experience du DAnois. Bientot l'electroaimant et le telegraphe furent inventes.
Le moteur electrique utilise aussi un electroaimant.

L'electroaimant fut invente en 1825 par l'anglais William Stugeon.

Une bobine de fil eletrique parcouru par un courant attire un clou en fer. Un electromaimant peut etre plus puissant qu'un aimant
barre. Plus tu augmente le courant ou le nombre de boucles de fils electriques et plus tu augmentes la puissance de l'aimant. Le champ magnetique cree est plus intense et un eletroaimant peut soulever des voitures dans une decharge. Un autre avantage: tu arretes le champs magnetique juste en coupant le courant. Tu utilises aussi un electroaimant dans les sonnettes de porte. En appuyant
sur la sonnete tu ferme un cricuit electrique qui attire un marteau. Le marteau retombe sur la cloche. Le telegraphe aussi utilise un electroaimant.

Cette image montre le principe de l'electroaimant. Une bobine de fil electrique est parcouru par un courant. Sur l'image 2 piles en serie produisent le courant electrique I. La circulation du courant dans la bobine cree un champ magnetique B. En bleu. Le champ B, sort de la bobine par une face (la face Nord) et repenetre dans la bobine par la face Sud. On cree un aimant barre artificiel. Cet aimant indui  peut reagir avec d'autres aimants (arificiels ou non) et les attirer ou les repousser. Grace a ce phenomene on fabrique des electroaimants capables de soulever de lourdes charges, des sonnettes, des moteurs... et bien d'autres choses.

Un electroaimant peut soulever une voiture.

Principe du moteur a courant continu:  un courant continu circule dans une bobine qui se comporte comme un aimant barre. La face nord de la bobine est attire par la face Sud de l'aimant fer a cheval, la bobine tourne. Grace a une connection speciale entre la pile et la bobine le courant change de sens et la face Nord de la bobine devient sa face Sud et est repousse par la Face Sud de l'aimant. Cela continue et la bobine tourne entrainant les roues d'une petite voiture  ou un autre systeme mecanique.

Electromagnétisme

Donc un conducteur parcouru par un courant électrique créé dans l'espace qui l'entoure un champ magnétique. Ainsi, une bobine de fil parcouru par un courant électrique se comporte comme un aimant et possède un pôle Nord et un pôle Sud.  Ce phénomène a permis de fabriquer les moteurs électriques et les électroaimants. 

Inversement, un aimant en mouvement près d'un circuit électrique (constitué par exemple d'une bobine de fil électrique) induit un courant électrique dans la bobine.  C'est ce phénomène qui permet de fabriquer des générateurs (dynamos ou alternateur).  Dans une dynamo de vélo par exemple, des aimants tournent (quand tu pédale)  au milieu d'une bobine de fil électrique et un courant continu (les électrons circulent toujours dans le même sens) parcourt le circuit: la lampe s'allume.  On obtient également la même chose si c'est une bobine de fil qui tourne entre des aimants fixes: un courant parcourt la bobine.  Dans l'alternateur (ou turbo-générateur) des centrales électriques ce sont des électroaimants qui tournent à l'intérieur d'une bobine et qui induisent un courant alternatif (le sens de circulation des électrons s'inverse périodiquement) dans celle-ci.

C'est l'anglais Michael Faraday qui demontra qu'un aimant en mouvement cree a l'interieur d'un circuit ferme un courant electrique !
Il venait de decouvrir comment transformer une energie mecanique (un aimant ou un electroaimant en mouvement)
en energie electrique. Cela produit du courant alternatif. Faraday etait un homme extraordinaire. Il n'avait aucune education
scientifique et etait le fils d'un mineur. Il travailla tres jeune dans une librairie et etait charge de relier des livres.
Mais il etait tres doue et s'eduqua lui meme en sciences. Il devint l'assistant d'un scientifique tres prestigieux a l'epoque:
 Humpry DAvis, un peu par chance. Mais il depassa vite le maitre et fit ces decouvertes  qui allerent changer
notre societe. On allait bientot etre capabgle de produit de l'electricite et de la transporter d'une centrale aux particuliers.
sur ce site : l'histoire passionnante de Faraday et de ses decouvertes.

Faraday montra comment induire un courant elctrique alternatif. Un aimant en mouvement
dans une bobine induit un courant electrique dont l'intensite et le sens sont mesures
par un appareil de mesure appele amperemetre.  Si tu enfonce l'aimant dans
la bobine puis le retire rapidement, le courant varie. Il est alternativement positive
et  negatif. Il s'annule (egal a zero) avant de changer de signe.
I varie sinusoidalement en fonction du temps.

Un jour, un immigrant sans le sou, Nikola Telsa, d'une tres grande intelligence debarqua a New York. Il travailla un peu pour Thomas Edison. Telsa avait compris que l'avenir etait au courant alternatif.. Il etait facile a generer et a transporter sur de longues distance. Iansi tout le monde pouvait en profiter.  Il inventa le moteur a courant alternatif en 1888. Il du affronter Edison qui ne voulait rien savoir et ne voulait croire que dans le courant continu. Edison, grace a son prestige et son reseau
de connaissances, fit tout pour ruiner les projets de Telsa. Il reussit de son vivant mais les scientifiques realiserent ensuite que Telsa avait raison. Telsa inventa aussi un transformateur donnant de tres forts voltages. Telsa mourut sans le sou.

Transformateur. Il peut augmenter ou diminuer la tension electrique.
Si la tension augmente, le courant diminue et si la tension diminue, le
courant augmente. Si la tension est tres elevee (100,000V), on obtient du
courant tres faible capable de voyager de longues distances de la centrale aux particuliers. En effet, Un faible courant signifie peu de perte d'energie du au frottement entre les electrons (le courant) et l'interieur du fil electrique.
Avant d'arriver chez le particulier, la tension est diminuee (220V) et le courant augmente. C"est Telsa qui avait compris ce principe.
Edison voulait offrir du courant continu aux usines mais cela impliquait que le generateur d'electricite soit proche de son utilisateur.

Un transformateur est constitue de 2 bobines reliees avec un anneau de fer doux. Le courant dans l'une des bobines induit un courant dans la deuxieme
bobine. On change la tension induite (et le courant induit) en variant le nombre de boucles. Si on augmente le nombre de boucles dans
la deuxieme bobine (bobine secondaire) on induit une tension plus intense. (le courant secondaire ou induit est plus faible que le courant primaire)

Production de l'électricité: transformer l'energie mecanique en energie elctrique.

L'électricité est produit par des centrales électriques EDF.  Dans toutes les centrales on trouve un alternateur dans lequel des électroaimants tournent dans une bobine de fils électriques et y induisent un courant alternatif qui sera distribué aux consommateurs qui sont connectés au réseau EDF.  La partie tournante de l'alternateur s'appelle le rotor et sa partie fixe s'appelle le stator.  L'alternateur produit une tension comprise entre 15 000V et 20 000V de fréquence de 50 Hz 

Le rotor est entraîné par une turbine.  Dans les centrales thermiques, de l'eau est chauffée pour produire de la vapeur d'eau à très haute tempéraure, soit par combustion de charbon ou de fioul, soit par réactions nucléaires (le chaleur est dégagée par la fission de l'uranium).  Cette vapeur d'eau sous pression entraîne les turbines (3000 tours/minute).  l'énergie mécanique est transformée en énergie électrique.  La vapeur d'eau sous pression est ensuite refroidie par un condenseur constitué d'un circuit d'eau pompée dans un réservoir d'eau froide (rivière ou mer).  L'eau du condenseur réchauffée est ensuite rejetée dans le réservoir d'eau froide.  Nous remercions Mme Martin (Montréal) pour cette photo.

Cette photo provient de la rubrique education du site EDF .  Elle montre une centrale thermique.  Les fumées de combustion sont évacuées par les grandes tours.  Ces fumées comprennent des oxydes de soufre et d'azote qui sont rejetés dans l'atmosphère.  Pour en savoir plus visite le site d'EDF.
 
 
 
 
 
 

C'est une centrale nucléaire reconnaissable à ses larges tours.  Ces tours contribuent au refoidissement de l'eau pompée dans la rivière et  qui circulent dans le condenseur.  L'essentielle de cette eau repart vers le condenseur mais une partie s'évapore ce qui provoque les panaches blancs à la sortie des tours.  source de la photo: rubrique éducatif du site EDF.
 
 
 
 
 

Dans les centrales hydoélectriques, l'eau issu d'une rivière ou d'un barrage fait tourner les turbines.
Nous remercions Mme Martin (Montréal) pour cette photo.

Les centrales peuvent également utiliser le vent pour faire tourner les tubines (voir photo ci-contre).  Les centrales solaires transforment directement la lumière en courant électrique grâce à des photopiles.  L'énergie issue du vent, du soleil ou de l'eau évite la pollution de l'atmosphère que provoque la combustion de carburants fossiles (gaz, fioul, charbon).  Ce sont des énergies renouvelables.  Citons également les centrales qui utilisent le flux et le reflux des marées pour faire tourner les turbines.

L'énergie nucléaire pose un gros problème pour l'environnement.  On ne peut pas faire disparaître les déchets radioactifs (recyclés ou enterrés) et ils représentent un danger pour notre planète.  De plus les centrales ne sont pas à l'abris d'accident comme celui qui s'est produit à Tchernobyl en 1986.  D'un autre cote, Contrairement aux centrales thermiques les centrales nucléaires ne rejettent pas de gaz polluants et n'emettent pas de dioxyde de carbone, un gaz a effet de serre. 

Transport de l'électricité

La tension (différence de potentiel entre les 2 bornes du générateur) produite par l'alternateur est transformée en très haute tension (T.H.T.) (225 000V et 400 000V) par de puissants transformateurs.  Le courant produit est envoyé dans les lignes T.H.T.  Les lignes T.H.T servent à transporter le courant vers des régions éloignées du centre de production.  Les lignes T.H.T aboutissent à des centres régionaux.  Des transformateurs abaissent alors les tensions à 90 000V et à 63 000V.  Les lignes moyenne tension (M.T.) transportent le courant vers d'autres centres de distribution.  La tension est alors abaisée à 15 000V ou 10 000V puis à 230 V (B.T.)

L'image suivante provient de la rubrique éducation du site d'EDF .
Sur cette image tu distingue une centrale thermique près de la mer.  L'eau pour le refroidissement est pompée dans la mer.  Une centrale nucléaire aux larges tours de refroidissements.  L'eau pour le condenseur est pompée dans la rivière.  Deux centrales qui exploitent des énergies renouvelables (le vent et les marées) et qui complètent la centrale thermique. Le barrage peut permettre l'approvisionnement en eau d'une centrale hydraulique qui peut compléter une centrale thermique.
pour en savoir plus: http://www.edf.fr/html/fr/decouvertes/voyage/index.html

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LE SAVAIS TU?
 

• 1 g de bois permet d'allumer une ampoule de 100W pendant 1 minute, 1g de charbon permet d'allumer 2 ampoules de 100W pendant 1 minute, 1 g de fioul permet d'allumer 3 ampoules de 100W pendant 1 minute, 1 g d'uranium permet d'allumer toutes les lampes d'une ville pendant 1 heure.

• Aujourd'hui lénergie utilisée sur Terre provient principalement du pétrole (40%), du charbon ( 27%), du gaz naturel (23%), ou de l'uranium (7%).

• L'énergie nucléaire est une énergie de fission.  Si on provoque la collision d'un neutron avec un atome 3 phénomènes peuvent se produire:  -Le choc élastique . Le neutron rebondit sur l'atome - La capture .   Le noyau absorbe le neutron et se trouve dans un état excité. Il y a émission d'un rayonnement - La fission. Le noyau absorbe le neutron et sous l'effet de l'instabilité il se rompt en 2 nouvaux noyaux de plus petite masse et des neutrons sont libérés dans l'espace.  Cet éclatement dégage de l'énergie sous forme de chaleur et libère plusieurs neutrons.  Ces neutrons peuvent à leur tour provoquer de nouvelles fissions.  C'est une réaction en chaîne qui a lieu au coeur du réacteur et qui est contrôlée.  Cette réaction n'est facile que sur l'Uranium 235.  La chaleur dégagée est utilisée pour produire de la vapeur.
• Le soleil est une énorme centrale thermonucléaire.  L'énergie dégagée par cette étoile provient des réactions nucléaires de fusion qui ont lieu dans son coeur (2 atomes fusionnent pour former un nouvel élément plus lourd. C'est le principe de la bombe à hydrogène).  La Terre reçoit en moyenne une énergie de 1 kilowatt par jour (soit 1000x24x3600 joules).

• Les aurores boreales sont crees lorsque des particules chargees, venant de l'espace, sont faites prisonnieres par le champ magnetique terrestre. Elles tournent soumises a l'action de forces electromagnetiques et emettent ces magnifiques lumieres. Le champ magnetique terrestre est comme un bouclier qui nous protege de ces particules mortelles pour nous. Le champ magnetique s'inverse regulierement sans qu'on sache vraimment pourquoi. (cela prend un ou 2 millions d'annees). Cela signifie que le pole Nord magnetique devient le pole Sud et vice et versa. Entre chaque inversion le champ magnetique s'annule exposant les organismes vivant aux dangereuses particules (vent solaire) provenant du SOleil. En ce moment, le champ diminue peu a peu... 

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sur notre site: dossier sur l'énergie électrique

sur un autre site : electricite, physique.

Des informations sur Tchernobyl et l'étendu de la catastrophe