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Module d’Electricité
1ère partie : Electrocinétique
Fabrice Sincère (version 4.0.3)
http://perso.orange.fr/fabrice.sincere
2
Sommaire de l’introduction
1- Courant électrique
1-1- Définitions
1-2- Loi des nœuds (1ère loi de Kirchhoff)
2- Tension électrique
2-1- Définitions
2-2- Loi des branches (2nd loi de Kirchhoff)
3- Relation entre courant et tension
3-1- Loi d’Ohm
3-2- Résistance électrique d’un conducteur ohmique
3-3- Echelle des résistivités
4- Puissance et énergie électrique
4-1- Puissance électrique
4-2- Energie électrique
4-3- Effet Joule
4-4- Loi de Joule
3
Chapitre 1 Introduction
L’Electrocinétique est la partie de l’Electricité qui étudie les courants
électriques.
1- Courant électrique
1-1- Définitions
• Définition : un courant électrique est un mouvement d’ensemble
de porteurs de charges électriques.
Métaux (cuivre, aluminium …) : électrons libres.
Charge électrique de l’électron : q = -e ≈ -1,6⋅10-19 coulomb (C).
Solutions liquides (électrolytes) : ions (cations et anions).
4
• Définition : le sens conventionnel du courant électrique est le
sens du mouvement des porteurs de charges positives.
Le sens conventionnel du courant est donc le sens inverse du
mouvement des électrons (q < 0) :
5
• Définition : L’intensité du courant électrique i est la quantité
d’électricité transportée par unité de temps.
dq est la quantité d’électricité qui traverse la section du conducteur
pendant la durée dt.
[s]
[C]
[A]
dt
dq
i =
=

50 mA est l’ordre de grandeur
du courant mortel pour l’homme.
6
A.N. Dans un fil, le débit est de 100 milliards d’électrons par
seconde.
Calculer l’intensité correspondante.
i = 100·10 9⋅
⋅
⋅
⋅1,6⋅
⋅
⋅
⋅10-19 / 1
= 0,016 µA
7
• Le courant électrique est symbolisé par une flèche :
Le signe du courant change quand on inverse l’orientation :
sens
conventionnel
+
-
i= -1 A
Fig. 3b
Le courant est positif quand on oriente
la flèche du courant dans le sens
conventionnel.
8
• Un ampèremètre mesure le courant qui le traverse.
Il est donc branché en série :
9
Rmq. : un ampèremètre se comporte comme un fil.
Attention au court-circuit !
10
1-2- Loi des nœuds (1ère loi de Kirchhoff)
Un nœud est un point de jonction de plusieurs conducteurs
électriques :
La somme des intensités des courants arrivant à un nœud est égale
à la somme des intensités des courants sortant du nœud :
i1 + i2 = i3 + i4
11
i1 + i2 + i3 = 0
i3 = - 3 A
A.N.
i1 = +1 A
i2 = +2 A
Calculer i3.
12
2- Tension électrique
2-1- Définitions
• Une tension électrique est une différence de potentiel électrique
(ou d.d.p.) :
uAB = vA - vB
uAB (en V) : tension électrique entre les points A et B
vA (en V) : potentiel électrique du point A
vB : B
13
• Le potentiel électrique est défini à une constante près.
La référence des potentiels électriques est la « masse électrique ».
C’est le « 0 V » :
Remarque : ne pas confondre masse et terre
• La tension est une grandeur algébrique : uAB = -uBA
14
• Un voltmètre mesure la tension présente à ses bornes.
Il est donc branché en dérivation :
15
2-2- Loi des branches (2nd loi de Kirchhoff)
• La tension totale entre deux points d’un circuit électrique est égale
à la somme des tensions intermédiaires.
uPN = uPA + uAB + uBC + uCN
16
• Exemple :
Une pile de fem 9 V alimente une ampoule de 6 V à travers une
résistance :
Calculer la tension aux bornes de la résistance.
uAB= 9 – 6 = +3 V
A noter que la tension aux bornes d’un fil électrique est
pratiquement nulle :
uPA ≈ uCN ≈ 0 V
17
• On place la masse au point N.
Calculer le potentiel électrique aux points P, A, B et C.
vC = vN = 0 V
vB = +6 V
vP = vA = +9 V
+3 V
+6 V
+9 V
0 V
0 V
masse
0 V
+6 V
+9 V
+9 V
18
• Cas particulier d’une maille
Une maille est une branche refermée sur elle-même.

uNP + uPA + uAB + uBC + uCN = 0 : c’est la loi des mailles.
19
3- Relation entre courant et tension
3-1- Loi d’Ohm
Dans une résistance électrique, tension et courant sont
proportionnels.
- Loi d’Ohm en convention récepteur
On parle de convention récepteur quand les orientations du courant
et de la tension relatives à un dipôle sont en sens inverse :
u = +Ri [V]=[Ω] [A]
R
u
i
R est la résistance électrique (en ohm).
20
- Loi d’Ohm en convention générateur
Les orientations du courant et de la tension sont dans le même sens :
La résistance est une
grandeur positive.
R
u
i
u= -Ri
21
A.N. Calculer l’ordre de grandeur de la tension mortelle pour
l’homme sachant que le corps humain a une résistance d’environ
1000 Ω :
 1000×
×
×
×50.10-3 = 50 V
22
3-2- Résistance électrique d’un conducteur ohmique
S
R
l
ρ
=
l : longueur (en m)
S : section (en m²)
ρ : résistivité électrique du conducteur (en Ω⋅m)
R : résistance (en Ω)
23
+4⋅10 - 3
3,6⋅10 7
2,8⋅10 - 8
aluminium
+4⋅10 - 3
5,9⋅10 7
1,7⋅10 - 8
cuivre
α (coefficient de
température en K-1)
σ =1/ρ (conductivité
électrique en
Ω-1⋅m-1)
à 20 °C
ρ (résistivité
électrique en
Ω⋅m)
à 20 °C
Matériau
La résistivité dépend de la nature du conducteur et de sa
température :
ρ(T) = ρT0 (1 + α (T - T0))
Tableau 1
24
A.N. Calculer la résistance d’un câble en cuivre de 2 mètres, de
section 1 mm² à 20 °C, puis à 60 °C.
- à 20 °C : R = 1,7.10-8.2/(1.10-6) = 34 mΩ
Ω
Ω
Ω
- à 60 °C : R = 34.(1 +4.10-3(60 - 20)) = 39 mΩ
Ω
Ω
Ω
Remarque : généralement, on peut négliger la chute de tension
dans un câble.
25
3-3- Echelle des résistivités
Remarques :
- un supraconducteur a une résistivité nulle (résistance nulle)
- un isolant a une grande résistivité (courant quasi nul)
26
4- Puissance et énergie électrique
4-1- Puissance électrique
• La puissance électrique mise en jeu dans un dipôle est :
p = u i [W]=[V] [A]
dipôle
u
i
27
• Dipôle générateur et dipôle récepteur (de puissance)
Un dipôle générateur est un dipôle qui fournit de la puissance
électrique.
Cette puissance est consommée par les dipôles récepteurs.
Exemple :
La puissance que fournit la pile est : p = ui = 6 W
« « consomme l’ampoule est : 6 W
28
dE est l’énergie mise en jeu pendant la durée dt.
L’énergie électrique s’écrit donc :
dE = ui⋅
⋅
⋅
⋅dt
Remarque : les compteurs d’énergie mesurent l’énergie électrique
en kilowatt-heure (kWh).
1 kWh = 3,6.106 J
dt
dE
p =
4-2- Energie électrique
La puissance dérive de l’énergie :
[W] = [J] / [s]
29
4-3- Effet Joule
Un conducteur parcouru par un courant électrique dégage de la
chaleur.

Plus généralement, l’effet Joule se traduit par la conversion
d’énergie électrique en énergie thermique (chaleur).
30
R
²
u
²
Ri
p =
=
4-4- Loi de Joule
R
u
i
La puissance électrique consommée par une resistance est :
p = ui
avec u = Ri
Dans le cas des conducteurs ohmiques et des résistances, l’énergie
électrique consommée est entièrement transformée en chaleur.
31
A.N. Calculer la résistance d’un grille-pain de 750 W
Ω
=
= 5
,
70
750
²
230
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  • 1. 1 Module d’Electricité 1ère partie : Electrocinétique Fabrice Sincère (version 4.0.3) http://perso.orange.fr/fabrice.sincere
  • 2. 2 Sommaire de l’introduction 1- Courant électrique 1-1- Définitions 1-2- Loi des nœuds (1ère loi de Kirchhoff) 2- Tension électrique 2-1- Définitions 2-2- Loi des branches (2nd loi de Kirchhoff) 3- Relation entre courant et tension 3-1- Loi d’Ohm 3-2- Résistance électrique d’un conducteur ohmique 3-3- Echelle des résistivités 4- Puissance et énergie électrique 4-1- Puissance électrique 4-2- Energie électrique 4-3- Effet Joule 4-4- Loi de Joule
  • 3. 3 Chapitre 1 Introduction L’Electrocinétique est la partie de l’Electricité qui étudie les courants électriques. 1- Courant électrique 1-1- Définitions • Définition : un courant électrique est un mouvement d’ensemble de porteurs de charges électriques. Métaux (cuivre, aluminium …) : électrons libres. Charge électrique de l’électron : q = -e ≈ -1,6⋅10-19 coulomb (C). Solutions liquides (électrolytes) : ions (cations et anions).
  • 4. 4 • Définition : le sens conventionnel du courant électrique est le sens du mouvement des porteurs de charges positives. Le sens conventionnel du courant est donc le sens inverse du mouvement des électrons (q < 0) :
  • 5. 5 • Définition : L’intensité du courant électrique i est la quantité d’électricité transportée par unité de temps. dq est la quantité d’électricité qui traverse la section du conducteur pendant la durée dt. [s] [C] [A] dt dq i = = 50 mA est l’ordre de grandeur du courant mortel pour l’homme.
  • 6. 6 A.N. Dans un fil, le débit est de 100 milliards d’électrons par seconde. Calculer l’intensité correspondante. i = 100·10 9⋅ ⋅ ⋅ ⋅1,6⋅ ⋅ ⋅ ⋅10-19 / 1 = 0,016 µA
  • 7. 7 • Le courant électrique est symbolisé par une flèche : Le signe du courant change quand on inverse l’orientation : sens conventionnel + - i= -1 A Fig. 3b Le courant est positif quand on oriente la flèche du courant dans le sens conventionnel.
  • 8. 8 • Un ampèremètre mesure le courant qui le traverse. Il est donc branché en série :
  • 9. 9 Rmq. : un ampèremètre se comporte comme un fil. Attention au court-circuit !
  • 10. 10 1-2- Loi des nœuds (1ère loi de Kirchhoff) Un nœud est un point de jonction de plusieurs conducteurs électriques : La somme des intensités des courants arrivant à un nœud est égale à la somme des intensités des courants sortant du nœud : i1 + i2 = i3 + i4
  • 11. 11 i1 + i2 + i3 = 0 i3 = - 3 A A.N. i1 = +1 A i2 = +2 A Calculer i3.
  • 12. 12 2- Tension électrique 2-1- Définitions • Une tension électrique est une différence de potentiel électrique (ou d.d.p.) : uAB = vA - vB uAB (en V) : tension électrique entre les points A et B vA (en V) : potentiel électrique du point A vB : B
  • 13. 13 • Le potentiel électrique est défini à une constante près. La référence des potentiels électriques est la « masse électrique ». C’est le « 0 V » : Remarque : ne pas confondre masse et terre • La tension est une grandeur algébrique : uAB = -uBA
  • 14. 14 • Un voltmètre mesure la tension présente à ses bornes. Il est donc branché en dérivation :
  • 15. 15 2-2- Loi des branches (2nd loi de Kirchhoff) • La tension totale entre deux points d’un circuit électrique est égale à la somme des tensions intermédiaires. uPN = uPA + uAB + uBC + uCN
  • 16. 16 • Exemple : Une pile de fem 9 V alimente une ampoule de 6 V à travers une résistance : Calculer la tension aux bornes de la résistance. uAB= 9 – 6 = +3 V A noter que la tension aux bornes d’un fil électrique est pratiquement nulle : uPA ≈ uCN ≈ 0 V
  • 17. 17 • On place la masse au point N. Calculer le potentiel électrique aux points P, A, B et C. vC = vN = 0 V vB = +6 V vP = vA = +9 V +3 V +6 V +9 V 0 V 0 V masse 0 V +6 V +9 V +9 V
  • 18. 18 • Cas particulier d’une maille Une maille est une branche refermée sur elle-même. uNP + uPA + uAB + uBC + uCN = 0 : c’est la loi des mailles.
  • 19. 19 3- Relation entre courant et tension 3-1- Loi d’Ohm Dans une résistance électrique, tension et courant sont proportionnels. - Loi d’Ohm en convention récepteur On parle de convention récepteur quand les orientations du courant et de la tension relatives à un dipôle sont en sens inverse : u = +Ri [V]=[Ω] [A] R u i R est la résistance électrique (en ohm).
  • 20. 20 - Loi d’Ohm en convention générateur Les orientations du courant et de la tension sont dans le même sens : La résistance est une grandeur positive. R u i u= -Ri
  • 21. 21 A.N. Calculer l’ordre de grandeur de la tension mortelle pour l’homme sachant que le corps humain a une résistance d’environ 1000 Ω : 1000× × × ×50.10-3 = 50 V
  • 22. 22 3-2- Résistance électrique d’un conducteur ohmique S R l ρ = l : longueur (en m) S : section (en m²) ρ : résistivité électrique du conducteur (en Ω⋅m) R : résistance (en Ω)
  • 23. 23 +4⋅10 - 3 3,6⋅10 7 2,8⋅10 - 8 aluminium +4⋅10 - 3 5,9⋅10 7 1,7⋅10 - 8 cuivre α (coefficient de température en K-1) σ =1/ρ (conductivité électrique en Ω-1⋅m-1) à 20 °C ρ (résistivité électrique en Ω⋅m) à 20 °C Matériau La résistivité dépend de la nature du conducteur et de sa température : ρ(T) = ρT0 (1 + α (T - T0)) Tableau 1
  • 24. 24 A.N. Calculer la résistance d’un câble en cuivre de 2 mètres, de section 1 mm² à 20 °C, puis à 60 °C. - à 20 °C : R = 1,7.10-8.2/(1.10-6) = 34 mΩ Ω Ω Ω - à 60 °C : R = 34.(1 +4.10-3(60 - 20)) = 39 mΩ Ω Ω Ω Remarque : généralement, on peut négliger la chute de tension dans un câble.
  • 25. 25 3-3- Echelle des résistivités Remarques : - un supraconducteur a une résistivité nulle (résistance nulle) - un isolant a une grande résistivité (courant quasi nul)
  • 26. 26 4- Puissance et énergie électrique 4-1- Puissance électrique • La puissance électrique mise en jeu dans un dipôle est : p = u i [W]=[V] [A] dipôle u i
  • 27. 27 • Dipôle générateur et dipôle récepteur (de puissance) Un dipôle générateur est un dipôle qui fournit de la puissance électrique. Cette puissance est consommée par les dipôles récepteurs. Exemple : La puissance que fournit la pile est : p = ui = 6 W « « consomme l’ampoule est : 6 W
  • 28. 28 dE est l’énergie mise en jeu pendant la durée dt. L’énergie électrique s’écrit donc : dE = ui⋅ ⋅ ⋅ ⋅dt Remarque : les compteurs d’énergie mesurent l’énergie électrique en kilowatt-heure (kWh). 1 kWh = 3,6.106 J dt dE p = 4-2- Energie électrique La puissance dérive de l’énergie : [W] = [J] / [s]
  • 29. 29 4-3- Effet Joule Un conducteur parcouru par un courant électrique dégage de la chaleur. Plus généralement, l’effet Joule se traduit par la conversion d’énergie électrique en énergie thermique (chaleur).
  • 30. 30 R ² u ² Ri p = = 4-4- Loi de Joule R u i La puissance électrique consommée par une resistance est : p = ui avec u = Ri Dans le cas des conducteurs ohmiques et des résistances, l’énergie électrique consommée est entièrement transformée en chaleur.
  • 31. 31 A.N. Calculer la résistance d’un grille-pain de 750 W Ω = = 5 , 70 750 ² 230 R