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Physique-Chimie 1re

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Porteurs de charge

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12
Calculer une vitesse de déplacement des électrons

RAI/ANA : Faire le lien entre un modéle microscopique et une grandeur macroscopique

Le graphique ci-dessous représente l’évolution de la vitesse de déplacement global des électrons dans le cuivre en fonction de l’intensité du courant, pour une section de conducteur de 1 mm2.

L'évolution de la vitesse de déplacement global des électrons dans le cuivre

1. En utilisant le graphique, donner la valeur de la vitesse de déplacement des électrons pour un courant d’intensité I=I = 1,5 A.


2. Que devient cette vitesse si l’intensité du courant double ?


3. Traduire le lien entre vitesse des électrons et intensité du courant à l’aide d’une équation mathématique.


4. Calculer la distance moyenne parcourue par les électrons en 1,0 minute pour I=I = 1,5 A.
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13
Vitesse de déplacement du signal électrique

RAI/ANA : Faire le lien entre un modéle microscopique et une grandeur macroscopique

Information A : Quand on allume une lampe, la lumière jaillit quasi instantanément.
Information B : Les électrons se déplacent très lentement dans le métal (voir exercice
12
).

1. Expliquer en quoi il y a a priori contradiction entre ces deux informations.


2. Pour proposer une explication, imaginer la situation suivante : une file de voitures est arrêtée à un feu rouge. Le feu passe au vert. Chaque seconde, une voiture commence à avancer à la vitesse de 1 km·h-1.

Une file de voitures arrêtée à un feu

Calculer la vitesse de déplacement de l’ordre d’avancer vers l’avant. Comparer cette vitesse à celle d’une seule voiture. En électricité, le signal électrique se déplace environ à la vitesse de 200 000 km·s-1. Commenter.
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11
Modéliser le courant électrique

RAI/ANA : Faire le lien entre un modéle microscopique et une grandeur macroscopique

Schématiser un circuit comportant un générateur et un résistor.

Indiquer sur ce schéma le sens de déplacement des électrons et celui du courant électrique d’intensité I.I.
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Une notion, trois exercices


DIFFÉRENCIATION
Savoir-faire : Exploiter les notions de puissance et d’énergie
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19
La machine à laver le linge

RAI/MOD : Utiliser avec rigueur le modèle de l’énergie

Un cycle de lavage d’une machine à laver dure 52,5 min dont 7,5 min sont réservées à l’essorage. La machine à laver est composée de 2 éléments principaux, un moteur et une résistance électrique pour chauffer l’eau. La résistance dissipe une puissance de 2 000 W et le moteur développe une puissance de 100 W pour le lavage et 300 W pour l’essorage.

Calculer l’énergie fournie à la machine à laver pendant un cycle de lavage.

17
Le four à micro-ondes

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RAI/MOD : Utiliser avec rigueur le modèle de l’énergie

Zoé veut préparer du thé. Elle place sa tasse remplie d’eau dans le four micro-ondes à la puissance de 1 200 W pendant une durée de 60 s.

1. Exprimer l’énergie convertie en fonction de la puissance et de la durée de fonctionnement.


2. Calculer l’énergie fournie au four en J.


Four à micro-ondes
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18
La télévision

RAI/MOD : Utiliser avec rigueur le modèle de l’énergie

En moyenne, les Français regardent la télévision 4 h par jour. La puissance d’une télévision en veille est de 5 W et de 200 W en fonctionnement.

Calculer l’énergie fournie à la télévision en une journée.

Savoir-faire - Parcours d'apprentissage

Relier intensité d’un courant et débit de charges :
14

Exploiter les notions de puissance et d’énergie :
12
DIFF
24

Déterminer une dissipation par effet Joule :
16

Évaluer le rendement d’un dispositif :
23

Pour s'échauffer

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5
Analogie débit d’un fleuve - débit d’électrons

La Garonne

La Garonne a un débit moyen de 650 m3 par seconde.

Quelle durée faudrait-il pour remplir une piscine olympique de dimensions 50,0 m ×\times 21,0 m ×\times 2,0 m ?


6
Utilisation de la relation Δq=IΔt\Delta q=I \cdot \Delta t

1. Calculer la charge électrique traversant chaque seconde une section de conducteur pour un courant d’intensité 1 A.


2. En déduire le nombre d’électrons traversant cette section droite chaque seconde.


Donnée

  • Charge de l’électron : q(e)=e=q(e^{-})=-e=- 1,6 ×\times 10-19 C.
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7
Puissance électrique

Calculer la puissance convertie par un moteur à courant continu traversé par un courant de 0,50 A et soumis à une tension de 5,0 V.


8
Énergie d’un moteur

Calculer l’énergie convertie par un moteur de 12 W pendant exactement 1 minute.


9
Effet Joule

Calculer la puissance dissipée par effet Joule par un résistor de 100 Ω\Omega alimenté par un courant de 60 mA. En déduire l’énergie convertie en 10 s. Exprimer le résultat en joule.


10
Rendement d’un moteur électrique

Un moteur électrique de puissance 1 000 W fait tourner une roue avec un rendement énergétique de 90 %.

Calculer la puissance transmise à la roue.


Puissance électrique et effet Joule

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14
Puissance électrique d’un microprocesseur

RAI/MOD : Utiliser avec rigueur le modèle de l’énergie

Un microprocesseur de smartphone est traversé par un courant d’intensité 150 mA. La tension électrique mesurée entre ses bornes vaut 5,0 V.

1. Convertir l’intensité en A.


2. Calculer la puissance électrique du microprocesseur et exprimer le résultat en W et en mW.
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16
Déterminer une dissipation par effet Joule

VAL : Analyser un résultat numérique

Lorsque qu’un résistor est traversé par un courant électrique, il s’échauffe : c’est l’effet Joule. Tantôt recherché (cas d’un grille-pain) ou minimisé (cas d’un smartphone), on peut déterminer l’expression de la puissance dissipée par effet Joule, pour un conducteur ohmique.

1. Rappeler l’expression de la loi d’Ohm, valable pour un conducteur ohmique de résistance R,R, ainsi que les unités de mesure associées.


2. Rappeler la relation permettant de calculer la puissance électrique d’un dipôle.


3. En déduire l’expression de la puissance dissipée par effet Joule par le conducteur ohmique de résistance R,R, en fonction de RR et de l’intensité II du courant qui le traverse.


4. Calculer cette puissance pour un résistor de 100 Ω\Omega traversé par un courant d’intensité 100 mA.
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15
Utiliser la loi d’Ohm

MATH : Calcul littéral

Utiliser l’image ci-dessous.

Résistance d'un transistor

1. Calculer la résistance RR d’un résistor traversé par un courant d’intensité 5 mA et ayant une tension de 5 V entre ses bornes.


2.
Vérifier par le moyen de votre choix que la valeur de la résistance calculée à la question 1. correspond aux anneaux de couleur de la photo (marron-noir-rouge).
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