Électricité et magnétisme

Un aimant 磁体 peut attirer certains métaux. Tout aimant possède deux extrémités appelées pôles 磁极 : un pôle nord 北极 (pôle N) et un pôle sud 南极 (pôle S).

La règle pour deux pôles est similaire à celle des charges :

• Les pôles identiques (N et N, ou S et S) se repoussent 排斥 (s'écartent) : c'est la repulsion 排斥力.
• Les pôles différents (N et S) s'attirent 吸引 (se rapprochent) : c'est l'attraction 吸引力.

Un aimant attire un matériau magnétique 磁性材料, comme le fer, l'acier, le cobalt et le nickel. D'autres matériaux (cuivre, plastique, bois) sont non magnétiques et ne ressentent aucune force.

Aimantation induite

Placer un morceau de fer près ou en contact avec un aimant rend le fer lui-même magnétique. C'est l'aimantation induite 感应磁性. L'extrémité du fer la plus proche de l'aimant acquiert le pôle opposé, si les deux s'attirent alors.

Aimants temporaires et permanents

• Le fer tendre 软铁 est facile à magnetiser 磁化 mais perd rapidement sa magnétisation. Il est utilisé pour un aimant temporaire 临时磁体.
• L'acier 钢 est plus difficile à magnetiser mais conserve sa magnétisation. Il est utilisé pour un aimant permanent 永磁体.

Ainsi, un morceau de fer tendre non magnetisé 未磁化 est le meilleur noyau pour un électroaimant, tandis que l'acier est idéal pour un aimant en barre.

Champs magnétiques

Un champ magnétique 磁场 est une zone 区域 où un pôle magnétique subit une force. On le représente par des lignes de champ magnétique 磁场线 :

• Les lignes partent du pôle N et entrent dans le pôle S.
• La direction du champ en un point est la direction de la force exercée sur le pôle N d'un petit aimant-test placé à cet endroit.
• Là où les lignes sont rapprochées, le champ est fort ; là où elles sont espacées, le champ est faible.

On peut visualiser ce motif en saupoudrant des grenailles de fer 铁屑 sur du papier posé sur un aimant, ou en déplaçant une petite boussole de traçage 指南针 autour de celui-ci (l'aiguille s'aligne selon le champ).

Utilisations des aimants

• Aimants permanents : fermoirs de porte de réfrigérateur, aiguilles de boussole, haut-parleurs.
• Électroaimants 电磁铁 (magnétiques uniquement tant qu'un courant circule) : grues soulevant des ferrailles, cloches électriques, relais. Un électroaimant peut être allumé/éteint et rendu plus puissant, contrairement à un aimant permanent.

Les forces magnétiques surviennent parce que les champs des deux aimants se poussent et s'attirent mutuellement.

Il existe deux types de charge électrique 电荷 : charge positive 正电荷 et charge négative 负电荷. La règle est similaire à celle des pôles — les mêmes charges se repoussent, les charges différentes s'attirent.

Charge par friction

Lorsque vous frottez deux matériaux différents ensemble, les électrons 电子 (minuscules particules négatives) se déplacent de l'un à l'autre. C'est la charge par friction 摩擦起电.

• Le matériau qui gagne des électrons devient négatif.
• Le matériau qui perd des électrons devient positif.

Seuls les électrons négatifs bougent ; la charge positive reste en place. Par exemple, une baguette de plastique frottée avec un tissu devient négative car les électrons se déplacent du tissu vers la baguette, laissant le tissu positif.

Détecter une charge. Une baguette chargée ramasse de petits morceaux de papier et courbe un mince filet d'eau provenant d'un robinet. Accrocher une baguette chargée à un fil et approcher une autre baguette chargée : si les deux ont le même type de charge, la baguette suspendue s'éloigne. La répulsion est le seul test sûr pour une charge, car l'attraction se produit aussi avec les objets non chargés.

Conducteurs et isolants

• Un conducteur 导体 (cuivre et autres métaux) permet à la charge de circuler facilement, car il possède des électrons libres mobiles.
• Un isolant 绝缘体 (plastique, caoutchouc, verre) ne permet pas à la charge de circuler, car ses électrons ne peuvent pas bouger librement.

Pour tester un matériau, le brancher dans un circuit avec une lampe et une batterie : la lampe s'allume uniquement pour un conducteur.

Champs électriques et ions

La charge est mesurée en coulombs 库仑 (C). Un champ électrique 电场 est une zone où une charge électrique subit une force. Sa direction en un point est la direction de la force exercée sur une charge positive. Schémas simples de champs (les flèches indiquent la direction) :

• autour d'une charge ponctuelle 点电荷 : lignes droites pointant loin d'une charge positive et vers une charge négative ;
• autour d'une boule chargée (sphère) : identique, s'étalant uniformément tout autour ;
• entre deux plaques parallèles portantes des charges opposées : lignes droites, régulièrement espacées, de la plaque positive vers la plaque négative.

Un atome est normalement neutre. S'il perd des électrons, il devient un ion 离子 positif ; s'il gagne des électrons, il devient un ion négatif.

Un courant électrique 电流 est un flux de charge électrique. Il est mesuré en ampères 安培 (A) avec un ampèremètre 电流表, branché en série dans le circuit.

Un analogue 模拟 ampèremètre possède une aiguille qui se déplace sur une échelle ; un digital 数字 ampèremètre affiche la valeur sous forme numérique. Tous deux sont proposés avec différentes ranges 量程. Choisissez l'échelle juste au-dessus du courant maximal attendu afin d'obtenir une lecture précise : une gamme 0–1 A pour un courant d'environ 0.4 A, ou une gamme 0–100 mA pour quelques milliampères.

Le courant est la charge passant par un point chaque seconde :

Ici $I$ est le courant (A), $Q$ est la charge (C) et $t$ est le temps (s). Réarrangé, $Q = It$.

Exemple résolu. Un courant de $3.0\ \text{A}$ traverse une lampe pendant $20\ \text{s}$. Quelle quantité de charge passe à travers ?

Dans un métal, le courant est un flux d'électrons libres 自由电子. Il y a deux "directions" à connaître :

• Conventional current 常规电流 est considéré comme circulant de + à − autour de l'extérieur de la pile.
• Les électrons libres se déplacent réellement dans l'autre sens, de − à +.

Un courant continu 直流电 (c.c.) circule toujours dans un seul sens, comme celui d'une batterie. Un courant alternatif 交流电 (c.a.) change constamment de direction plusieurs fois par seconde, comme celui du réseau électrique 市电.

Une pile fournit de l'énergie 能量 aux charges qui la traversent. Deux grandeurs décrivent cela, toutes deux mesurées en volts 伏特 (V).

• La force électromotrice 电动势 (f.e.m.) d'une source est le travail électrique qu'elle effectue pour faire circuler une charge unitaire tout autour d'un circuit 电路 complet.
• La différence de potentiel 电势差 (d.p.) aux bornes d'un composant est le travail effectué par une charge unitaire lorsqu'elle passe à travers ce composant.

Un voltmètre 电压表 mesure la f.e.m. ou la d.p. Il est connecté en parallèle (aux bornes du composant). Comme les ampèremètres, les voltmètres sont analogiques ou numériques et ont différentes plages : choisissez la plage juste au-dessus de la plus grande tension que vous attendez.

Les deux représentent le travail effectué par unité de charge :

où $W$ est l'énergie transférée (J) et $Q$ est la charge (C). Par exemple, si une pile effectue $120\ \text{J}$ de travail pour déplacer $60\ \text{C}$ de charge autour d'un circuit, sa f.e.m. est $120 / 60 = 2\ \text{V}$.

Résistance 电阻 mesure la difficulté qu'il y a pour que le courant circule. Une résistance plus élevée donne un courant plus faible. Elle est mesurée en ohms 欧姆 (Ω).

Mesurer la résistance. Connecter le composant en série avec une pile, un interrupteur, un ampèremètre et un résistance variable 可变电阻器, et connecter un voltmètre aux bornes du composant. Fermer l'interrupteur, lire $I$ et $V$, puis modifier la résistance variable pour obtenir plusieurs autres paires de lectures. Calculer soit $R = V/I$ pour chaque paire et prendre la moyenne, soit tracer $V$ en fonction de $I$ : pour un fil métallique à température constante, le graphique est une ligne droite passant par l'origine, et sa pente est $R$.

Exemple résolu. Une pile de $12\ \text{V}$ fait circuler un courant de $0.50\ \text{A}$ à travers une lampe. Trouver la résistance de la lampe.

Pour un fil métallique à température constante :

• un fil plus long a une plus grande résistance — la résistance est directement proportionnelle 成正比 à la longueur, $R \propto l$;
• un fil plus épais a une plus petite résistance — la résistance est inversement proportionnelle 成反比 à la section transversale 横截面积, $R \propto \dfrac{1}{A}$.

Ainsi, doubler la longueur double la résistance ; doubler la section la divise par deux. (La section dépend du carré du diamètre, donc une petite variation de diamètre modifie beaucoup la résistance.)

Les courbes intensité-tension montrent comment trois composants se comportent :

Un circuit transfère l'énergie d'une source (une pile ou le réseau) vers les composants, puis vers l'environnement (souvent sous forme de chaleur, lumière ou son).

Puissance électrique 电功率 est l'énergie transférée chaque seconde, mesurée en watts 瓦特 (W) :

L'énergie électrique 电能 transférée pendant un temps $t$, mesurée en joules 焦耳 (J), est :

Exemple résolu. Un moteur de $12\ \text{V}$ absorbe un courant de $2.0\ \text{A}$. Trouver sa puissance, et l'énergie qu'il transfère en $30\ \text{s}$.

Le kilowatt-heure

Les factures d'électricité domestiques utilisent une unité d'énergie plus grande, le kilowatt-heure 千瓦时 (kWh). Un kilowatt-heure est l'énergie consommée par un appareil de $1\ \text{kW}$ appareil 电器 en $1$ heure.

Par exemple, un chauffage 加热器 de $2\ \text{kW}$ utilisé pendant $3$ heures consomme $2 \times 3 = 6\ \text{kWh}$. Si un kWh coûte $20$ cents, le coût est $6 \times 20 = 120$ cents.

Composants de circuit

Vous devez connaître ces composants et leur comportement :

Série et parallèle

Dans un circuit série 串联, les éléments forment une seule boucle :

• le courant est le même en tout point ;
• la tension d'alimentation est partagée entre les composants ;
• les piles en série additionnent leurs f.e.m. (quand elles sont orientées dans le même sens) ;
• les résistances en série s'additionnent : $R_{\text{total}} = R_1 + R_2 + \dots$

Dans un circuit parallèle 并联, les éléments sont sur des branches séparées :

• chaque branche reçoit la pleine tension d'alimentation ;
• le courant se divise, donc le courant provenant de la source est supérieur au courant dans n'importe quelle branche individuelle ;
• la résistance totale 总电阻 est inférieure à la plus petite résistance individuelle.

Les lampes dans une maison sont câblées en parallèle : chacune reçoit la pleine tension, et si l'une grille, les autres restent allumées.

Pour les calculs (avec les règles ci-dessus) :

• à un nœud 节点, le courant total entrant est égal au courant total sortant ;
• en série, la tension d'alimentation est égale à la somme des tensions aux bornes des composants ;
• en parallèle, la tension aux bornes de chaque branche est la même ;
• deux résistances en parallèle se combinent selon

Exemple résolu. Une résistance de $6\ \Omega$ et une résistance de $3\ \Omega$ sont connectées en parallèle. Trouver leur résistance combinée.

Remarquez que la résistance combinée ($2\ \Omega$) est inférieure à la plus petite des deux résistances.

Diviseurs de potentiel

Deux résistances en série partagent la tension d'alimentation. C'est un diviseur de potentiel 分压器. Pour un même courant, une plus grande résistance présente une plus grande tension à ses bornes, donc la plus grande résistance absorbe la plus grande part :

Un diviseur de potentiel variable (ou une résistance variable) permet de modifier la tension de sortie de manière continue, par exemple de $0\ \text{V}$ jusqu'à la pleine tension d'alimentation. Si vous utilisez un thermistor ou une LDR comme l'une des résistances, la tension de sortie varie avec la température ou la lumière — pratique pour allumer ou éteindre automatiquement un chauffage ou une lampe.

Une maison est alimentée par le réseau. Le réseau est dangereux s'il est mal utilisé.

Risques

Ce sont des risques 危险 (dangers) liés à l'électricité du réseau :

• isolement 绝缘层 endommagé — des fils nus peuvent provoquer un choc ou un incendie ;
• surchauffe 过热 des câbles — trop de courant rend un câble chaud, ce qui peut provoquer un incendie ;
• conditions humides 潮湿 — l'eau permet au courant de passer à travers une personne, augmentant le risque de choc électrique ;
• surcharge 过载 — brancher trop d'appareils dans une même prise 插座 tire trop de courant.

Fil de phase, neutre et terre

Un câble de réseau possède trois fils :

• le fil de phase 火线 transporte la haute tension ;
• le fil neutre 零line ferme le circuit à environ zéro volt ;
• le fil de terre 地线 est un fil de sécurité relié à la masse.

Un interrupteur (et un fusible) doivent être installés dans le fil phase. Ainsi, lorsque l'interrupteur est éteint, l'appareil est déconnecté de la haute tension et est sûr au toucher.

Fusibles, disjoncteurs et mise à la terre

Un fusible est un fin fil qui fond si le courant devient trop important, interrompant le circuit avant que le câble ne surchauffe. Choisissez une valeur nominale du fusible 额定值 juste au-dessus du courant de fonctionnement normal — par exemple un fusible $13\ \text{A}$ pour un appareil qui utilise normalement environ $10\ \text{A}$.

Un disjoncteur 跳闸开关 (circuit breaker) remplit la même fonction mais agit plus vite et peut être réarmé au lieu d'être remplacé.

La carcase métallique 外壳 d'un appareil doit être rendue sûre de l'une des deux manières suivantes :

• Mise à la terre 接地 : la carcase est reliée au fil de terre. Si un fil de phase touche la carcase, un grand courant s'écoule vers la terre et grille le fusible.
• Double isolation 双重绝缘 : la carcase est en plastique, elle ne peut donc jamais devenir sous tension. Un tel appareil n'a pas besoin de fil de terre ; son fusible protège quand même le câble.

L'effet magnétique d'un courant

Un courant dans un fil crée un champ magnétique autour de lui.

• Autour d'un fil droit, les lignes de champ sont des cercles autour du fil ; le champ est plus fort près du fil. Inverser le courant inverse le champ.
• Une bobine solénoïde 螺线管 (un long enroulement 线圈 de fil) produit un champ identique à celui d'un aimant droit, avec un pôle N à une extrémité et un pôle S à l'autre. Le champ intérieur est fort et uniforme.

Vous pouvez montrer ces deux motifs avec du limaille de fer ou une boussole de traçage. Le champ devient plus fort si vous augmentez le courant, ajoutez plus de spires, ou placez un noyau en fer doux à l'intérieur.

L'effet magnétique est utilisé dans un relais et dans une enceinte acoustique. Dans un relais, un petit courant dans une bobine magnétise un noyau en fer doux, qui ferme un interrupteur dans un second circuit. Ce second circuit peut transporter un grand courant, permettant ainsi à un petit interrupteur ou capteur de contrôler en toute sécurité un moteur ou un chauffage (par exemple, l'allumage d'une voiture démarre son moteur via un relais). Dans une enceinte acoustique 扬声器, un courant variable dans une bobine fait repousser et attirer un cône en papier, déplaçant l'air et produisant du son.

Induction électromagnétique

Lorsqu'un fil se déplace à travers un champ magnétique, ou que le flux à travers une bobine change, une f.e.m. est induite dans le fil. Si le fil fait partie d'un circuit fermé, cette f.e.m. fait circuler un courant. C'est l'induction électromagnétique 电磁感应.

Pour le démontrer : déplacez un aimant dans et hors d'une bobine reliée à un galvanomètre sensible, et observez l'aiguille tiquer. La f.e.m. induite est plus grande si vous utilisez un aimant plus puissant, bougez plus vite, ou utilisez plus de spires sur la bobine. La f.e.m. induite agit toujours pour s'opposer au changement qui la provoque. La direction du courant induit est donnée par la règle de la main droite de Fleming 弗莱明右手定则 : tenez le pouce, l'index et le majeur de la main droite perpendiculairement entre eux ; le pouce pointe dans la direction du mouvement du fil, l'index dans la direction du champ (N vers S), et le majeur indique alors le courant induit.

Le générateur a.c.

Un générateur alternatif 交流发电机 convertit le mouvement en électricité. Une bobine est mise en rotation dans un champ magnétique (ou un aimant est mis en rotation près d'une bobine). Au fur et à mesure qu'elle tourne, le flux à travers la bobine change constamment, induisant ainsi une f.e.m. alternative.

• Les anneaux glissants 滑环 et les balais de carbone 电刷 transportent le courant vers le circuit pendant que la bobine continue de tourner.
• La f.e.m. est maximale lorsque la bobine est plate (se déplaçant le plus rapidement à travers le champ) et nulle lorsque la bobine est verticale (se déplaçant le long du champ). Ainsi, le graphique f.e.m.-temps est une onde : pic, zéro, pic opposé, zéro, pour chaque tour.

Force sur un conducteur parcouru par un courant

Lorsqu'un fil parcouru par un courant repose dans un champ magnétique, le champ du fil et le champ de l'aimant se repoussent mutuellement, ce qui exerce une force sur le fil. C'est l'effet moteur.

• Inversez le courant, ou inversez le champ, et la force s'inverse.
• Augmentez le courant ou renforcez le champ, et la force augmente.

La force, le champ et le courant sont perpendiculaires entre eux. Vous pouvez trouver la direction de la force avec la règle de la main gauche de Fleming 弗莱明左手定则 : pouce = force (mouvement), index = champ (N vers S), majeur = courant.

Démonstration de la force. Posez un fil de cuivre rigide (ou une bande de feuille d'aluminium) entre les pôles d'un aimant en U et reliez-le à une pile via un interrupteur. Lorsque le courant circule, le fil saute vers le haut ou vers le bas. Inversez la pile et le fil saute dans l'autre sens ; retournez l'aimant et cela s'inverse encore. Un courant plus grand ou un aimant plus fort donne un saut plus grand.

Un flot mobile de particules chargées constitue un courant, donc un champ magnétique le repousse latéralement aussi — il dévie 偏转 le faisceau. (Rappelez-vous que les électrons circulent en sens opposé au courant conventionnel.)

Le moteur à c.c.

Une bobine parcourue par un courant dans un champ magnétique subit un effet de rotation 转动效应, car les forces sur ses deux côtés agissent en sens opposés. C'est un moteur continu 直流电动机. L'effet de rotation est plus grand avec plus de spires sur la bobine, un courant plus élevé, ou un champ plus fort.

Un commutateur à anneau fendu 换向器 inverse la direction du courant dans la bobine à chaque demi-tour. Cela maintient la rotation de la bobine dans le même sens au lieu de l'arrêter après un demi-tour.

Le transformateur

Un transformateur modifie l'amplitude d'une tension alternative. Il possède deux bobines enroulées sur un noyau en fer doux 软铁芯 :

• la bobine primaire 原线圈 reçoit la tension alternative ;
• la bobine secondaire 副线圈 délivre la tension modifiée.

Le courant alternatif dans la primaire crée un champ magnétique variable dans le noyau. Le noyau transporte ce champ vers la secondaire, où il induit une f.e.m. alternative. Les tensions et les nombres de spires sont liés par :

Exemple résolu. Un transformateur a $1200$ spires sur la bobine primaire et $100$ spires sur la bobine secondaire. La primaire est connectée à une alimentation alternative de $240\ \text{V}$. Trouvez la tension secondaire.

Moins de spires sur la secondaire, c'est donc un transformateur abaisseur.

Si la secondaire a plus de spires, c'est un transformateur élévateur 升压 (la tension augmente) ; moins de spires font un transformateur abaisseur 降压 (la tension diminue). Par exemple, un transformateur passant de $240\ \text{V}$ à $12\ \text{V}$ est de type abaisseur, et la primaire a $20$ fois plus de spires que la secondaire.

Si un transformateur est efficace à 100 %, la puissance d'entrée est égale à la puissance de sortie :

Ainsi, un transformateur élévateur augmente la tension mais réduit le courant.

Pourquoi nous utilisons la haute tension pour envoyer l'énergie

L'électricité est transmise sur tout le pays par transmission haute tension 高压输电. La puissance perdue sous forme de chaleur dans les câbles est

où $R$ est la résistance des câbles. Un transformateur élévateur augmente la tension et réduit donc le courant pour une même puissance ($P = IV$). Un courant plus faible signifie beaucoup moins de puissance gaspillée dans les câbles. Un transformateur abaisseur réduit ensuite la tension à une valeur sûre avant qu'elle n'atteigne les habitations.

• Le courant est le même partout dans un circuit en série ; dans un circuit en parallèle, il se divise entre les branches. La tension (p.d.) est partagée en série, mais est la même sur chaque branche parallèle.
• Ajouter des résistances en série augmente la résistance totale ($R_1 + R_2$) ; les ajouter en parallèle rend la totale inférieure à la plus petite résistance individuelle.
• Un ampèremètre se met en série et a une très faible résistance ; un voltmètre se met en parallèle aux bornes d'un composant et a une très haute résistance.
• Dans un transformateur $\dfrac{V_p}{V_s} = \dfrac{N_p}{N_s}$ : plus de spires sur la secondaire élève la tension, moins la baisse. Les transformateurs ne fonctionnent qu'en a.c.
• L'énergie est envoyée sur tout le pays à haute tension afin que le courant — et la chaleur gaspillée dans les câbles, $P = I^2R$ — soit faible.
• Installez le commutateur et le fusible dans le fil de phase, et choisissez une valeur nominale de fusible juste au-dessus du courant de fonctionnement normal de l'appareil.