Chapitres 11.2 et 13 - sciences sec 4

CHAPITRE 11.2

11.2.1

Principales contraintes:

• Torsion: tordre

• Flexion: courber

• Traction: étirer

• Compression: écraser ou comprimer

• Cisaillement: cisailler

11.2.2

Les propriétés mécaniques des matériaux:

• Dureté: résister aux rayures, pénétration, déformation.

• Rigidité: garder sa forme lorsque soumis aux contraintes.

• Élasticité: déformer sous une contrainte mais reprendre sa forme après.

• Ductilité: déformer de manière irréversible sans se rompre, se laisser étirer facilement. (traction)

• Malléabilité: s’aplatir ou se courber sans se rompre. (compression)

• Fragilité: se casser avant de se déformer.

• Résilience: résister aux chocs, inverse de fragilité.

Autres propriétés:

• Conductibilité électrique.

• Conductibilité thermique.

• Légèreté.

• Neutralité chimique.

• Résistance à la corrosion.

• Résistance à la chaleur.

11.2.3

Les céramiques:

• Matériaux solides produits à partir de substances minétales inorganiques comme le sable et l’argile.

• Propriétés:

  • Dureté très élevée.

  • Fragilité.

  • Rigidité très élevée.

  • Résilience faible.

  • Neutralité chimique.

  • Conductibilité électrique faible.

  • Conductibilité thermique faible.

  • Résistance à la chaleur très élevée.

  • Résistance à la corrosion.

Matières plastiques:

• Matériaux organiques de synthèse (contenant du carbone et fabriqués artificiellement). Ils sont formés de macromolécules appelées polymères.

Thermoplastiques:

• Matières plastiques qui restent dures et qui gardent leur forme même lorsqu’ils sont chauffés.

• Non recyclables.

• Propriétés:

  • Dureté.

  • Résilience.

  • Rigidité.

  • Résistance à la chaleur.

  • Résistance à la corrosion.

Thermoplastiques:

• Matières plastiques qui, si on les chauffe, ramollissent de façon qu’on puisse les mouler ou les remodeler.

• Recyclables.

• Propriétés:

  • Élasticité.

  • Résilience.

  • Neutralité chimique.

  • Résistance à la corrosion.

Les matériaux composites:

• Combinaisons hétérogènes de matériaux qui en améliorent les propriétés.

• Constitués d’une matrice («squelette» du matériau) dans laquelle sont insérées des fibres de renfort.

• Propriétés:

  • Les propriétés des matériaux composites varient énormément de l’un à l’autre.

11.2.4

La dégradation d’un matériau correspond à la modification de ses propriétés par son environnement.

Les métaux et les alliages:

• Causes de la dégradation:

  • oxydation causant la corrosion (rouille dans le cas des alliages ferreux).

• Procédés de protection:

  • les recouvrir d’un revêtement dit «passif» (peinture, vernis, graisse, émail, etc.) qui les isole de l’environnement;

  • les recouvrir d’une couche d’un métal qui résiste mieux à la corrosion comme le zinc. Un métal ou un alliage recouvert de zinc est dit «galvanisé».

Les bois:

• Causes de la dégradation:

  • infestation par des insectes, des champignons ou des microorganismes;

  • taux d’humidité élevé qui fait gonfler le bois jusqu’à ce qu’il devienne poreux ou se fissure.

• Procédés de protection:

  • les peindre, les vernir, les huiler ou les teindre (revêtement passif);

  • les traiter à l’aide d’un enduit protecteur (souvent une solution basique contenant du cuivre);

  • les chauffer à haute température.

Les céramiques:

• Causes de la dégradation:

  • action de certains acides ou bases fortes;

  • choc thermique.

• Procédés de protection:

  • les céramiques sont très durables, mais fragiles: il n’y a pas de procédé pour les protéger des chocs.

Les matières plastiques:

• Causes de la dégradation:

  • exposition à un rayonnement ultraviolet (UV) comme celui émis par le Soleil;

  • pénétration par des liquides;

  • oxydation.

• Procédés de protection:

  • leur ajouter, pendant la fabrication, des pigments qui absorbent les rayons UV et les antioxydants;

  • les recouvrir d’un revêtement imperméable.

Les matériaux composites:

• Causes de la dégradation:

  • déformation de la matrice ou des fibres de renfort;

  • diminution de l’adhérence entre la matrice et les fibres de renfort.

• Procédés de protection:

  • utiliser des matériaux de qualité qui adhèrent fortement ensemble.

11.2.5

Les traitements thermiques sont des moyens utilisés pour modifier les proptiétés des matériaux en leur faisant subir un chauffage et un refroidissement.

Ils peuvent être effectués sur le bois, le verre ou d’autres céramiques, mais c’est sur les alliages comme l’acier qu’ils sont le plus fréquents.

CHAPITRE 13

Une fonction électrique, c’est le rôle que joue une composante électrique dans le contrôle ou la transformation du courant électrique.

• Alimentation (source)

• Conduction (fil métallique)

• Isolation

• Protection

• Commande (interrupteur)

• Transformation de l’énergie

• Régulation

13.1 LA FONCTION D’ALIMENTATION:

Elle est assurée par toute composante d’un circuit dont le rôle est de fournir l’énergie nécessaire au passage du courant électrique dans ce circuit.

Il y a deux types de sources d’alimentation:

• Les sources à courant continu, qui fournissemtn de l’énergie en continu à un rythme régulier (A).

  • La circulation des électrons se fait dans un seul sens.

  • Objets qui fonctionnent au courant continu: lampe de poche, téléphone cellulaire, ordinateur, etc.

  • Objets qui produisent du courant continu: piles, batteries, panneaux solaires.

  • Les adaptateurs de courant permetent de convertir le courant alternatif en continu.

• Les sources de courant alternatif, dont la polarité oscille dans le temps (B).

  • La circulation des électrons se fait dans un mouvement de va-et-vient.

  • C’est le type de courant retrouvé dans les prises murales.

  • Objets qui fonctionnent au courant alternatif: laveuse, sécheuse, micro-ondes, grille-pain.

  • Objets qui produisent du courant alternatif: génératrice (alternateur), centrales électriques

  • Les onduleurs de courant permettent de convertir le courant continu en courant alternatif.

Types de sources d’alimentation:

13.1.1 LES CONDENSATEURS (STE)

On doit employer des appareils qui comportent des composantes dont le rôle est de stocker lentement des charges électriques (on dit alors que l’appareil se charge), puis de les libérer rapidement au moment voulu (on dit alors que l’appareil se

). De telles composantes se nomment condensateurs.

Un condensateur est un dispositif qui a la capacité d’emmagasiner des charges électriques.

Les cellules photovoltaïques:

• C’est un dispositif qui génère un courant électrique quand il est exposé à la lumière. Lorsque la lumière frappe la cellule, elle transfère de l’énergie aux électrons de sorte que certains sont éjectés. Un courant se crée alors dans le circuit auquel est rattachée la cellule.

Le condensateur:

• L’utilisation d’un flash traditionnel sur un appareil photo nécessite de transformer rapidement une quantité importante d’énergie électrique en énergie lumineuse. Elle doit être libérée beaucoup plus rapidement que pourrait le faire la pile de l’appareil, voila pourquoi il y a un condensateur dans le flash. Il est branché en série avec une pile.

• Quand on appuie sur le déclencheur de l’appareil pour prendre une photo avec le flash, un interrupteur bascule, débranchant le condensateur de la pile et le branchant plutôt à l’ampoule du flash. Le condensateur se décharge alors rapidement à travers l’ampoule.

13.2.1 LA FONCTION DE CONDUCTION

Les composantes qui ont une fonction de conduction doivent être fabriquées avec des matériaux conducteurs, comme les métaux.

Les facteurs de la conductibilité électrique:

• La nature du matériau:

  • Les métaux, entre eux, n’ont pas la même conductibilité électrique;

• La section transversale du fil:

  • Le diamètre d’un fil est exprimé par un calibre (noté AWG pour american wire gauge).

  • Plus le calibre est petit, plus le diamètre est grand, donc plus la conductibilité électrique est grande.

• La température du fil:

  • Plus elle est basse, mieux sa conduit.

• La longeur du fil:

  • Plus le conducteur est court, meilleure sera sa conductibilité électrique.

13.2.2 LA FONCTION D’ISOLATION

Elle est remplie par une gaine en caoutchouc, des disques en verre ou en céramique et un boitier en plastique.

Les composantes qui assurent la fonction d’isolation, les isolants, sont de très mauvais conducteurs d’électricité. Ils sont souvent en céramique ou en plastique.

La fonction d’isolation est assurée par toute composante d’un circuit qui empêche le passage du courant.

13.2.3 LA FONCTION DE PROTECTION

Elle est remplie par les fusibles et les disjoncteurs.

Fusible	Disjoncteur
Description: petit tube ou bouchon isolant dans lequel une lamelle ou un fil est inséré.	Description: interrupteur mécanique qui peut être déclenché manuellement, ou par un dispositif magnétique thermique.
En temps normal, le courant traverse le fusible. Si le courant devient trop grand, l’énergie électrique qui traverse le fil le fait fondre. Il se rompt: cela empêche le courant de passer.	En temps normal: le courant traverse le disjoncteur (l’interrupteur est fermé). Si le courant devient trop grand, l’interrupteur s’ouvre et coupe le courant.
Désavantage: une fois qu’il est grillé, un fusible doit être remplacé.	Avantage: Une fois que le problème qui a causé le déclenchement est réglé, il suffit d’actionner l’interrupeur manuellement. Aucune pièce n’a à être changée.

Le circuit imprimé (STE):

Une telle innovation a permis de remplacer les fils conducteurs gainés (entourés de palstiques) ce qui a grandement permis de réduire la taille des circuits. C’est la miniaturisation de l’électronique.

Pour fabriquer des appareils électroniques, on assemble de nombreuses composantes dans un espace restreint, puis on les connecte les unes aux autres par des branchements. Dans ce contexte, le branchement à l’aide de fils électriques serait inapproprié.

Pour éviter ce problème, on remplace les fils par de minces pistes de cuivre, fixes et rigides, créées par photogravure sur une carte de plastique. Les composantes électroniques sont soudées au verso de la plaque. Le circuit imprimé fonctionne de la même manière qu’un circuit ordinaire.

13.3 LA FONCTION DE COMMANDE

La fonction de commande est assurée par toute composante d’un circuit qui permet d’ouvrir ou de fermer le circuit de façon à bloquer ou à laisser passer le courant.

C’est une fonction remplie par un interrupteur.

Types d’interrupteurs	Symbole
Bascule
Levier
Bouton-poussoir
Commande magnétique	Certains interrupteurs de ce type sont fermée en présence d’un champ magnétique et ouverts en son absence. D’autres fonctionnent à l’inverse.

13.3.2 LES TYPES D’INTERRUPTEURS (STE)

Seulement l’interrupteur unipolaire (unidirectionnel ou bidirectionnel)

13.4 LA FONCTION DE TRANSFORMATION DE L’ÉNERGIE

Elle est assurée par toute composante d’un circuit qui sert à transformer l’énergie électrique en une autre forme d’énergie.

Transformation d’énergie	Exemples
Énergie électrique à énergie lumineuse: l’énergie est transformée en lumière.	ampoule à incandescence, une diode électro-luminescente, un écran à cristaux liquides.
Énergie électrique à énergie thermique: l’énergie est transformée en chaleur.	l’élément chauffant d’un grille pain.
Énergie électrique à énergie mécanique: l’électricité est transformée en mouvement (visible ou non).	un moteur électrique (fonctionne à l’aide d’un électroaimant).
Énergie électrique à énergie magnétique: l’électricité est transformée en magnétisme.	un électroaimant de levage.

Le crystal piézo-électrique convertit l’énergie électrique en énergie mécanique, car il se met à vibrer lorsqu’il est soumis à un courant électrique.

13.5 LES FONCTIONS DE RÉGULATION (STE)

Les résisteurs et les diodes remplissent souvent une fonction de régulation de la tension dans un circuit.

Elle est assurée par toute composante d’un circuit qui sert à maintenir le fonctionnement de ce circuit.

13.5.1 LES RÉSISTEURS

C’est une composante conçue pour limiter le passage du courant dans un circuit.

13.5.2 LES DIODES (STE)

La diode est un dispositif qui ne laisse passer le courant électrique que dans un sens.

Associés en pont de diodes, les 4 diodes permettent de convertir une source de courant alternatif en courant continu (CA vers CC).

Un circuit dans lequel une diode assure la fonction de régulation.

A) La pile est branchée avec une polarité telle que la diode laisse passer le courant.

B) La pile est branchée avec une polarité telle que la diode bloque le courant. Il n’y a aucun courant dans le circuit.