L’électricité fait partie de notre quotidien, mais quels sont les éléments indispensables pour réaliser un circuit électrique ?

Réponse : un circuit électrique nécessite absolument deux éléments : un générateur et un récepteur. On y ajoute souvent d’autres éléments, voyons pourquoi et ce qu’est exactement un circuit électrique.

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Les différents courants

Le courant alternatif

L'électricité est un phénomène naturel qui a commencé a être étudié dès le 16 ème siècle.

L'arrivée du courant alternatif date de 1882 en France par l'invention de l'ingénieur Lucien Gaulard : le transformateur. Cela créa une véritable révolution dans l'industrie de distribution d'électricité. Comme le courant alternatif présentait plus d'avantages, il a rapidement remplacé le courant continu.

Un transformateur est un appareil censé modifier la tension et l'intensité d'un courant délivré par une source d'énergie alternative sans en changer la fréquence ou la forme.

Où trouver du courant alternatif ?
Le courant alternatif est le courant que l'on trouve en branchant un appareil dans une prise murale.

Le courant alternatif correspond à un courant qui produit toujours de la même façon et ce sont les mêmes mécanismes qui entrent cause.

Afin de créer du courant alternatif, on utilise une turbine et un alternateur. C'est également ainsi qu'il est produit dans les centrales électriques. En voici le détail :

  1. Une turbine est mise en rotation par de l'eau ou de la pression comme de la vapeur d'eau ;
  2. La turbine entraîne alors l'axe du rotor de l'alternateur sur lequel sont encrés plusieurs électroaimants ;
  3. Le courant électrique alternatif est produit par les interactions entre les électroaimants du rotor et le fil de cuivre en bobines autour du stator.

On dit d'un courant électrique alternatif qu'il est périodique et sinusoïdale.

Périodique car sa tension change de sens de manière périodique en s'inversant constamment et sinusoïdale car la tension varie au cours du temps en décrivant une courbe sinusoïdale.

Les avantages du courant alternatif

Les avantages du courant alternatif comparé au courant continu est que l'on peut modifier son intensité ou sa tension à l'aide d'un transformateur.

Grâce aux transformateurs, on peut transporter du courant haute tension de plus faible intensité, ce qui permet de diminuer l'effet Joules. Il suffit avant de redistribuer l'électricité aux utilisateurs de la transformer à nouveau.

Quelques calculs utiles

On peut calculer la valeur instantanée d'un courant électrique alternatif à l'aide de l'équation suivante :

dans laquelle :

  • u0 correspond à l'amplitude du signal et tension de la crête exprimée en Volts (V) ;
  • ω correspond à la pulsation du signal exprimée en radians par seconde (rad.s-1). Elle se calcule avec ω = 2⋅π⋅ƒ ;
  • ƒ représente la fréquence du signal exprimée en Hertz (Hz) ;
  • T correspond à la période du signal exprimée en secondes (s).

L'équation représentant l'intensité du courant électrique est du type suivant :

dans laquelle :

  • i0 correspond à amplitude du signal exprimée en ampères (A) ;
  • φ correspond au déphasage du signal, également appelé phase à l'origine et s'exprime en radians.
La période du courant alternatif

La période est le temps en secondes (s) nécessaire à ce que le graphique du courant alternatif se retrouve dans la même position.

Les phases du courant alternatif

Le courant alternatif peut être monophasé ou triphasé.

Courant alternatif monophasé

Le courant alternatif monophasé est celui utilisé par le grand public. Il se compose de deux conducteurs, le neutre et la phase.

Le neutre est relié à la terre au dernier transformateur.

Courant alternatif triphasé

Dans le domaine des industries, on utilise des câbles dits triphasés. Ces derniers se composent de 4 conducteurs : 3 phases et un neutre, relié à la terre.

Chacune des 3 phases porte un courant déphasé de 120° par rapport aux deux autres.

Le courant continu

Définition

Le courant continu est un courant électrique dont l'intensité est changeante au cours du temps. Par opposition au courant alternatif, il circule toujours dans le même sens.

Ce courant est symbolisé par l'acronyme CC pour courant continu ou DC en anglais pour direct current.

Comment fonctionne le courant continu ?
Le courant continu est le courant délivré par les batteries, accumulateurs et piles.

Histoire du courant continu

Le courant continu est le premier des courants électriques a avoir été utilisé. C'est Thomas Edison qui l'a contrôlé pour la première fois. Cependant, il a vite été supplanté par le courant alternatif qui montre l'avantage de pouvoir être transporté sur de plus longues distances.

Différents courants continus

Il existe différents types de courants continus. Tout d'abord on trouve le courant constant qui garde la même amplitude et la même direction. Ensuite, il existe le courant ondulé et lissé. Proche du courant constant, il garde cependant un certain taux d'ondulation. Pour finir, il reste le courant variable unidirectionnel. Ce dernier ne change jamais de sens mais son amplitude peut être amenée à changer.

Les touts premières sources électriques découvertes furent l’électricité statique. Ensuite vint la pile électrique d'Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta qu'il mit au point en 1800. Il s'agissait d'un empilement de tissu, de cuivre et de zinc le tout imprégné d'eau salée. Le tout produit donc de l’électricité par oxydo-réduction.

Il faudra quand même attendre le XVIIIe siècle pour voir apparaître le courant électrique public et les premiers réseaux de distribution d'électricité dans les viles.

Calculs sur le courant continu

On peut effectuer plusieurs calculs sur le courant. Pour cela, fixons quelques variables :

  • < i > valeur moyenne de i ;
  • I valeur efficace de i ;
  • Ia valeur efficace de la composante alternative de i ;
  • Δ ( i ) = imax - imin : valeur entre crête et creux de l'intensité.
Le taux d'ondulation et le taux d'ondulation efficace

La valeur du taux d'ondulation de crête est égal au rapport de la valeur efficace de la composante alternative d'une grandeur ondulée par la valeur efficace de la grandeur elle-même.

Le taux d'ondulation efficace est le rapport de la valeur de crête à creux de la composante alternative d'une grandeur ondulée à la valeur absolue de la composante continue.

La puissance

Lorsque la tension et le courant sont continu, on définit la puissance avec la formule suivante :

Avec U et I des valeurs constantes de la tension aux bornes du dipôle et de l'intensité du courant à travers le dipôle.

Notons que si l'on considère R comme étant la résistance du dipôle, on a :

On obtient donc en définitive la formule de calcul de la puissance suivante :

Il est possible de modéliser un dipôle actif linéaire, donc un électromoteur, avec un modèle équivalent de Thévenin même si ce modèle, très sommaire, ne permet pas de rendre compte des éventuelles chutes de tension en charge ou encore des puissances électriques mises en jeu dans un domaine de validité qu'il faut nécessairement préciser.

Ainsi, convention générateur, la puissance fournie par le dipôle à l'extérieur peut s'exprimer de la façon suivante :

La puissance fournie par le dipôle actif correspond alors à la puissance fournie par un générateur idéal de tension, noté E, qui va donc délivrer un courant, noté I, dont une partie est dissipée par effet Joule, représenté par -RxI2 . Si on se concentre sur le cas des moteurs électriques, ExI est un terme représentant la puissance électromécanique que l'on note Pem.

Le matériel en électricité

Les piles

Il en existe une grande variété.

Elles possèdent toutes deux bornes(une borne  positive (+) et une borne négative (-)).

Ce sont elles qui fournissent l'énergie qui va faire circuler le courant  électrique dans le circuit.

Les interrupteurs

Nous utiliserons un interrupteur à bouton poussoir. En appuyant sur le bouton on relie ses deux bornes par des éléments métalliques.

3.    Les Connexions

Fil de connexion :

Fil de cuivre entouré d'une gaine en matière plastique. A ses extrémités, des fiches bananes.

Pince crocodile :

Elle permet de réaliser facilement des connexions.

Douille banane :

Elle reçoit les fiches bananes des fils de connexion.

Les lampes

Complète le schéma :

Inscris ici les indications portées sur le haut du culot :

Les douilles

Destinée à recevoir la lampe.

Ses vis sont ses bornes.

Souvent fixée sur une plaque de bois.

Comment brancher une ampoule ?
La douille est permet de connecter le culot de l'ampoule à l'électricité.

Réalisation d'un circuit

Expérience

Des\sine ici le circuit de la figure 1 :

Remplis le tableau :

 La lampe brilleLa lampe ne brille pas
(1) Quand j'appuie sur le bouton de l'interrupteur :
(2) Quand je relâche le bouton de l'interrupteur :
(3) Quand je dévisse la lampe :
(4) Quand je retire une fiche banane :
(5) Quand je décroche la pince crocodile :

2.    Observation :

·        Lorsque l’interrupteur est ouvert (sans appuyer) : la lampe est éteinte, le courant électrique ne circule pas. On dit que le circuit est ouvert. C'est aussi le cas si on enlève un dipôle ou  une connexion.

·        Lorsque l’interrupteur estfermé (en appuyant sur le bouton) : la lampe est allumée, le courant électrique circule. On dit que le circuit est fermé.

3.    Interprétation :

En suivant les fils de connexions depuis une borne de la pile, à travers la lampe et l’interrupteur fermé jusqu’à l’autre borne de la pile, nous avons suivi un circuit puisque nous revenons à notre point de départ.

Comme un circuit de formule 1, le circuit électrique revient toujours à son point de départ et ne fonctionne que lorsqu’il est fermé.

Définitions

Le générateur : Il génère

Il peut s’agir d’une pile, d’une génératrice de bicyclette ou d’une prise du secteur (attention à ne pas s’électrocuter ! Toute tension supérieure à 24 V peut être dangereuse pour l’homme. La tension du secteur est de 220V.). C’est un élément indispensable pour que du courant électrique circule dans le circuit. C’est le générateur qui permet, qui provoque la circulation du courant nécessaire pour le fonctionnement des appareils électriques.

Les récepteurs : Ils reçoivent

Tout appareil qui utilise le courant électrique pour fonctionner est un récepteur. Une lampe, une diode électroluminescente (DEL) ou un moteur électrique sont des récepteurs. Il est très important qu’il y ait au moins un récepteur dans tout circuit électrique sous peine de créer un court-circuit au niveau du générateur.

Les dipôles : Il a deux pôles

Enfin, tout élément de circuit électrique qui possède deux bornes est appelé un dipôle. C’est le cas de l’ampoule, du générateur ou du moteur électrique. Par contre, le transistor étudié en technologie possède trois bornes et n’est donc pas un dipôle.

Conclusion :

Pour qu’une lampe brille, il faut que le circuit comporte un générateur et que le circuit soit fermé. (En termes scientifiques :Un circuit électrique est une chaîne continue de dipôles comportant au moins un générateur).
Sans générateur ; il n’y a pas de courant possible ; que le circuit soit ouvert ou fermé.
Avec un générateur mais circuit ouvert ; il n’y a pas de courant possible car un courant électrique ne peut circuler que si le circuit électrique est fermé.

Schématisation d'un circuit

Comment peut-on représenter le circuit électrique d’un appareil compliqué comme un magnétoscope ou une télévision ?

Réponse : il est évidemment exclu de faire un des\sin représentant chaque élément du circuit. Afin de pouvoir représenter facilement et rapidement un circuit électrique, on utilise des symboles avec lesquels on réalise un schéma.

La différence entre des\sin et schéma

Un des\sin est destiné à donner une représentation artistique d’un objet. Il est possible de mettre de la couleur pour représenter plus fidèlement l’objet et on peut même y ajouter des ombres et d’autres effets artistiques. Un des\sin ne sera pas forcément compris de la même façon dans le monde entier car il intègre des choix artistiques qui sont propres à la culture du des\sinateur.

Un schéma doit, lui, permettre de comprendre très rapidement le fonctionnement d’un objet ou d’un mécanisme. Pour qu’il soit compris rapidement par tous ses utilisateurs, quels que soient leurs pays d’origine, il doit se référer à un certain nombre de règles et éviter au maximum le nombre de couleurs et d’effets artistiques. Si le schéma suit des règles définies par des normes internationales, on dit que c’est un schéma normalisé. C’est le cas des schémas de circuits électriques.

2. Les symboles électriques

Ces symboles ont été acceptés pratiquement par tous les pays du monde, ce qui permet à un électricien du Japon de comprendre le circuit électrique d’un électricien français, même s’il ne comprend pas le français. Ces symboles sont donc universels et suivent une norme très stricte : il faut les apprendre et ne pas improviser dans leur représentation.

3. Exemple de schéma électrique

Schématise ici le circuit de la figure 1 :

La forme générale d'un circuit simple est un rectangle.

On peut représenter le circuit ouvert ou fermé, c'est-à-dire, l'interrupteur ouvert ou fermé.

Conducteurs et isolants

Pourquoi les fils électriques de la maison sont-ils entourés d’une gaine en plastique ?

Réponse : le plastique est un matériau isolant qui empêche le passage du courant électrique et évite que l’on s’électrocute si on manipule les fils.

Objectifs de la séance de travaux pratiques :

·     Savoir câbler un montage électrique à partir d’un schéma.

·     Vérifier expérimentalement si un matériau est conducteur ou isolant.

·     Savoir  rédiger une conclusion après une série d’expériences.

Matériel : 1 Pile, 1 ampoule sur son support , 4 pinces « crocodile », 3 fils.

1.    Matériaux conducteurs et matériaux isolants.

a)     Montage :

Câbler le montage schématisé ci-contre

Faites vérifier votre montage.

b)    Manipulations :

Placer les différents matériaux cités dans le tableau ci dessous entre les pinces crocodiles.

Vous devez remplir la deuxième colonne du tableau au fur et à mesure des expériences réalisées.

Matériaux à testerL’ampoule brille-t-elle ?
Fil de cuivre
Paille en plastique mou
Fil de zinc
Fil de laine
Fil de fer
Fil d’aluminium
Tige de verre
Allumette
Règle en plastique
Feuille de papier
Stylo en plastique
Mine de crayon à papier
Air

Conclusion

 Si l’ampoule brille cela veut dire que le courant électrique ______________ dans le circuit et donc que l’objet testé est un __________________.

Si l’ampoule ne brille pas cela veut dire que le courant électrique ___________________ dans le circuit et donc que l’objet testé est un _____________.

Compléter la troisième colonne du tableau en notant « conducteur » ou « isolant » pour chacun des  matériaux testés.

D’après les expériences réalisées que peut-on dire pour les métaux ?

D’après les expériences réalisées que peut-on dire pour les matières plastiques, l’air et le bois?

2.    Circuit composés de différents matériaux

a)     Montage

Mais on place maintenant entre les

deux pinces crocodiles trois matériaux

différents en contact les uns avec les autres.

Manipulations

Réaliser l’expérience dans les cas proposés dans le tableau ci-dessous :

Matériau 1Matériau 2Matériau 3Le courant passe-t-il ?
CuivreVerreZinc
CuivreFerZinc
FerZincPapier
GraphiteAluminiumFer
PlastiquePapierBois

Conclusion

Le courant peut-il circuler dans le circuit si :

Les trois matériaux sont des isolants ? _______.

Deux matériaux sont isolants  et le troisième est conducteur ? _______.

Deux matériaux sont  conducteurs et le troisième est isolant ? _______.

Les trois matériaux sont des conducteurs ? _______.

Applications

L’interrupteur

Le des\sin ci-contre représente un interrupteur :

Quelle est la série de matériaux conducteurs qui permettent au courant de passer quand l’interrupteur est fermé (tige baissée) ?

Quels sont les isolants qui empêchent  le courant de passer quand l’interrupteur est ouvert (tige levée) ?

Pourquoi  a-t-on placé une poignée en plastique au bout de la tige ?

Pourrait-on remplacer le support plastique par un support : en aluminium ? en bois ? en cuivre ? Justifier vos réponses.

La lampe

Le des\sin ci-contre représente une lampe :

Quels sont les isolants et les conducteurs parmi les matériaux utilisés ?

Donner la chaîne d’éléments conducteurs permettant au courant de passer.

Sens du courant électrique

Le courant possède un sens appelé sens conventionnel.

Il circule à l’extérieur du générateur, de la borne + vers la borne -.

Le sens du courant électrique

  1. Flécher le sens du courant sur ce circuit.
  2. Que se passe-t-il si on permute les bornes de la pile ?
  3. Refaire un schéma avec le nouveau branchement de la pile.

Influence du sens du courant pour une lampe et un interrupteur

  1. Câblage : Réalisez le circuit du a) et faites vérifier votre montage.
  2. Permuter les bornes de l’ampoule.

L’ampoule brille-t-elle encore ? _____

Permuter les bornes de l’interrupteur

L’interrupteur peut-il encore ouvrir ou fermer le circuit ? _____

Conclusion

Pour l’ampoule et pour l’interrupteur, le sens du courant ____________

_______________. L'ampoule et l’interrupteur ne sont pas polarisés.

Influence du sens du courant pour un moteur

1. Câblage : Réalisez le circuit ci-contre et faites

vérifier votre montage.

2. Permuter les bornes du moteur.

Le moteur tourne-t-il encore ? _______

Recommencer l’opération et observer le sens de rotation du moteur.

3. Conclusion.

Le fonctionnement d’un moteur ___________________________________, si on change le sens du courant alors le moteur _______________________

_____________. Le moteur est polarisé.

Une diode dans un circuit

Nous avons vu que le moteur est sensible au sens du courant. C’est également le cas d’un composant électrique très courant appelé diode. La diode possède deux bornes qui ne sont pas identiques (Voir figure 10 et 11 p 16). Il existe également des diodes électroluminescentes (DEL) qui ont la même fonction qu’une diode mais qui en plus émettent de la lumière et peuvent servir de témoin pour indiquer que le courant électrique circule et que le circuit électrique est fermé. C’est ce que nous allons mettre en évidence expérimentalement.

1.    Expérience :

1. Câblage : Réalisez le circuit ci-contre et faites

vérifier votre montage.

2. La lampe brille-t-elle ? _________

La Diode Electroluminescente brille-t-elle ? ____________

3. Permuter les bornes de la DEL.

La lampe brille-t-elle ? _________

La Diode Electroluminescente brille-t-elle ? ____________

2.    Interprétation

On observe que la lampe et la DEL ne s’allument que pour un seul sens de la diode : c’est le sens passant. Si la diode est dans l’autre sens, ni la lampe ni la DEL ne s’allument car aucun courant ne circule dans le circuit.

La diode (électroluminescente ou non) ne laisse donc passer le courant que dans un seul sens : le sens passant. C'est un dipôle polarisé. C’est un composant qui est très utilisé dans les appareils ménagers pour bloquer le passage du courant si les piles sont placées dans le mauvais sens. On parle alors de diode de protection car elle protège certains éléments électroniques du circuit qui sont sensibles au sens du courant électrique.

L'essentiel à retenir :

Un circuit est une chaîne ininterrompue de conducteurs électriques comportant au moins un générateur électrique.

Le courant électrique ne peut circuler que lorsque le circuit est fermé.

Les éléments d'un circuit ont deux bornes : ce sont des dipôles.

Pour schématiser un circuit, on utilise des symboles normalisés.

Dans un circuit, le courant électrique sort du générateur par la borne +, circule dans le circuit et rentre dans le générateur par la borne -.

Une diode ne laisse passer le courant que dans un sens.

Exercice : Les électrons

Comment passe l'électricité ?
Les électrons sont des particules atomiques responsables du passage du courant.

Le problème posé par la nature des « rayons cathodiques » à la fin du XIXème siècle fut résolu en 1897 par l'Anglais J.J. Thomson : il s'agissait de particules chargées négativement baptisées par la suite « électrons ». La découverte de l'électron valut à Thomson le prix Nobel de physique en 1906.

Le défi pour les scientifiques de l'époque fut alors de déterminer les caractéristiques de cette particule : sa charge électrique et sa masse. Dans un premier temps, Thomson lui-même, en étudiant la déviation d'un faisceau d'électrons dans un champ électrique, put obtenir le
« rapport e/me » de ces deux caractéristiques.

C'est cependant l'Américain R. Millikan qui, réalisant de multiples expériences entre 1906 et 1913 sur des gouttelettes d'huile, détermina la valeur de la charge de l'électron.

En 1927, G.P. Thomson, le fils de J.J. Thomson, réalise une expérience de diffraction des électrons par des cristaux.

Actuellement, les valeurs admises de la masse et de la charge de l'électron sont :

  • me = 9,1093826 x 10-31 kg ;
  • e = 1,602176565 x 10-19 C.

Donnée : Constante de Planck : h = 6,63 x 10-34 J.s

1. L'expérience de J.J. Thomson

Lors de ses recherches dans son laboratoire de Cambridge, Thomson conçoit un dispositif dans lequel un faisceau d'électrons est dévié lors de son passage entre deux plaques où règne un champ électrique. La mesure de la déviation du faisceau d'électrons lui permet alors de déterminer le rapport e/me.

L'étude suivante porte sur le mouvement d'un électron du faisceau qui pénètre entre deux plaques parallèles et horizontales P1 et P2, dans une zone où règne un champ électrique E supposé uniforme et perpendiculaire aux deux plaques.

À l'instant t = 0 s, l'électron arrive en un point O avec une vitesse horizontale v0.

La trajectoire de l'électron dans un repère (O,x,y) est fournie sur L'ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE.

L'électron de masse me et de charge q = - e, dont le mouvement étudié dans le référentiel terrestre supposé galiléen, est soumis à la seule force électrostatique Fe.

1.1. Sur le document de l'annexe, représenter sans souci d'échelle et en justifiant les tracés :

  • Le vecteur force Fe en un point de la trajectoire de l'électron ;
  • Le vecteur champ électrique E en un point quelconque situé entre les plaques P1 et P2.

1.2. En utilisant la deuxième loi de Newton, déterminer les équations horaires x(t) et y(t) du mouvement de l'électron.

1.3. Vérifier que la trajectoire de l'électron a pour équation :

1.4. À la sortie de la zone entre les plaques P1 et P2, l'électron a subi une déviation verticale SH comme l'indique le schéma de l'annexe. On mesure SH = yS = 2,0 x 10-2 m.
Déterminer, dans cette expérience, la valeur du rapport e/me de l'électron.
Conclure.

Données :

  • Longueur des plaques : L = 9,0 x 10-2 m
  • Vitesse initiale de l'électron : v0 = 2,4 x 107 m.s-1
  • Valeur du champ électrique : E = 1,6 x 104 V.m-1

2. L'expérience de Millikan

L'objectif de Millikan est de montrer qu'un corps chargé ne peut porter qu'une charge électrique multiple d'une « charge élémentaire ».

Document 1 : Principe de l'expérience menée en 1910 par Millikan

Millikan pulvérise des gouttelettes d'huile chargées par irradiation entre deux plaques planes où règne un champ électrique et les observe à l'aide d'un microscope.

Sa méthode consiste à immobiliser les gouttelettes en augmentant le champ électrique jusqu'à ce que le poids de la gouttelette soit compensé par la force électrostatique.

Millikan parvint ainsi à obtenir une valeur approchée de la charge élémentaire
e = 1,591 x 10-19 C, très proche de la valeur admise aujourd'hui.

Un pulvérisateur produit un nuage de gouttelettes d'huile chargées négativement qui tombent dans la chambre supérieure du dispositif. Lorsque l'une d'elles passe à travers le trou T, elle tombe verticalement à une vitesse constante v1, son poids étant très vite compensé par la force de frottement exercée par l'air. Lors de cette première étape, la chute verticale de la gouttelette dans l'air en l'absence de champ électrique est observée à l'aide d'un microscope et permet de déterminer le rayon r de la gouttelette qui n'est pas mesurable directement.

Lors d'une deuxième étape, lorsque la gouttelette parvient en bas du dispositif, un champ électrique uniforme est créé entre les plaques A et B. La gouttelette remonte alors verticalement à une vitesse constante v2.

La charge électrique portée par la gouttelette est ensuite déduite des mesures des vitesses v1 et v2.

Lors de l'expérience menée au laboratoire, une gouttelette de masse m et de charge q négative arrive entre les plaques A et B. La poussée d'Archimède est négligée.

Données :

  • Masse volumique de l'huile : ρ = 890 kg.m-3
  • Valeur du champ de pesanteur : g = 9,8 N.kg-1
  • Viscosité de l'air : η = 1,8 x 10-5 kg.m-1.s-1

2.1. Chute verticale de la gouttelette

2.1.1. Lors de la chute de la gouttelette en l'absence de champ électrique, écrire la relation vectorielle entre la force de frottement et le poids lorsque la vitesse constante v1 est atteinte.

En déduire l'expression de v1 en fonction de η, r, m et g.

2.1.2. La relation précédente peut également s'écrire :

où ρ est la masse volumique de l'huile.

Déterminer le rayon r de la gouttelette sachant qu'elle parcourt, lors de sa chute, une distance de 2,11 mm pendant une durée Dt =10,0 s.

2.1.3. Afin de faciliter la mesure au microscope, la gouttelette ne doit pas être trop                         rapide.

En déduire s'il est préférable de sélectionner une grosse gouttelette ou au contraire une petite gouttelette.

2.2. Remontée de la gouttelette

Un champ électrique uniforme étant établi entre les plaques A et B, la gouttelette subit une force supplémentaire Fe verticale et remonte alors avec une vitesse constante v2 atteinte presque instantanément.

On peut montrer que la charge q de la gouttelette est donnée par la relation :

Plusieurs mesures ont été réalisées pour différentes gouttelettes et rassemblées dans le tableau du document 3.

Document 3 : Mesures de v1 et v2 pour différentes gouttelettes

Numéro
de la gouttelette
Rayon r de la gouttelette
(µm)
Vitesse de descente v1 ( x 10–4m.s-1)Vitesse de descente v2 ( x 10–4m.s-1)Charge q de la gouttelette
(C) ( x 10–19)
11,21,551,59- 6,4
21,31,821,81- 8,0
31,52,421,35- 9,6
41,62,763,13- 1,6
51,822,53- 9,6

2.2.1. Les gouttelettes n°2 et n°5 du document 3 ont la même vitesse de descente v1 mais des vitesses de remontée v2 différentes.
Déterminer sans calcul le rayon de la gouttelette n°5. Justifier.
Pourquoi leurs vitesses de remontée sont-elles différentes ?

2.2.2. Montrer, à partir des résultats expérimentaux du document 3, que la charge de ces gouttelettes est « quantifiée », c'est-à-dire qu'elle ne prend que des valeurs multiples d'une même charge élémentaire égale à 1,6 x 10-19 C.

2.3. En quoi le protocole de l'expérience effectuée par Millikan diffère-t-il de celui réalisé au laboratoire par J.J. Thomson ?

3. Diffraction des électrons

Davisson et Germer réalisent en 1927 une expérience de diffraction des électrons sur un cristal constitué d'un arrangement régulier d'atomes de nickel. De son côté, G.P. Thomson fait une expérience analogue et réussit également à diffracter un faisceau d'électrons. Il reçoit en 1937 le prix Nobel de physique pour ses travaux, prix qu'il partagea avec Davisson.

3.1. Quelle information sur la nature de l'électron cette expérience donne-t-elle ?

3.2. Dans l'expérience de Davisson et Germer, les électrons avaient une vitesse égale à
4,4 x 106 m.s-1.

Calculer la longueur d'onde de l'onde de matière associée à un électron ayant cette vitesse.

3.3. Quel est l'ordre de grandeur de la distance entre les atomes dans un solide ?

Commenter cette valeur.

Annexe

EXERCICE II Question 1.1.

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Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.