chapitre 8 : transferts d’énergie dans un circuit électrique

 

I.                  CIRCUIT ELECTRIQUE EN COURANT CONTINU : RAPPELS

 

           

 
Tension électrique :vidéo

 

La tension électrique est une grandeur que l’on mesure à l’aide d’un voltmètre

branché en dérivation : elle s’exprime en volt (V). La tension électrique

existant entre deux points A et B est notée UAB

                                     VA : potentiel électrique du point A en volts (V)

UAB = VA - VB    avec     VB : potentiel électrique du point B en volts (V)

                                     UAB : tension électrique entre les points A et B en volts (V)

 

Remarque : La tension électrique est une grandeur algébrique UAB = VA - VB = -( VB - VA) = - UBA

 

            Intensité du courant électrique :

 

L’intensité du courant électrique se mesure à l’aide d’un ampèremètre branché

en série : elle s’exprime en ampère (A). Le sens conventionnel du courant est

celui du parcours du circuit électrique, à l’extérieur du générateur, de la borne positive

à la borne négative.

 Comment réaliser une montage électrique ?          

                                              

II.              ENERGIE ELECTRIQUE RECUE PAR UN RECEPTEUR :

 

            Notion de récepteur :

 

Expérience :

Quand on ferme l’interrupteur : la lampe brille,  et le moteur tourne. L’énergie électrique est convertie en : chaleur, et travail mécanique.

 


·         Définitions :

 

Un récepteur est un appareil qui convertit l’énergie électrique qu’il reçoit en une autre forme d’énergie.

Un récepteur est dit passif si toute l’énergie qu’il reçoit est convertie en énergie thermique. (conducteur ohmique) ;

Un récepteur est dit actif s’il convertit une partie de l’énergie électrique qu’il reçoit en une autre forme d’énergie que l’énergie thermique (électrolyseur et moteur)

 

            Energie électrique reçue :vidéo

We : énergie reçue par le récepteur (J)

                                                                       UAB : tension entre A et B (V)

  We = UAB.I. Dt                avec                         I : intensité du courant traversant le récepteur (A)

                                                                       Dt : durée d’utilisation du récepteur (s)

 

Remarque : En convention récepteur le courant « descend » les potentiels. Si I entre par le point A alors      VA › VB donc UAB › 0

                                                 

            Puissance électrique reçue :vidéo

La puissance électrique d’un appareil permet d’évaluer la rapidité avec laquelle s’effectue le transfert d’énergie électrique.

                                                                        Pe : puissance reçue par le récepteur (Watt)

  Pe = We/Dt = UAB.I        avec                            We : énergie reçue par le récepteur (J)

                                                                       Dt : durée d’utilisation du récepteur (s)

            Application :

Un moteur fonctionnant sous une tension UAB = 12 V, reçoit une énergie électrique Wel = 360 J quand il tourne pendant 2,0 minutes.

·   Calculer la puissance électrique reçue par le moteur : Pel  = Wel/Dt  AN : Pel = 360/(2x60) = 3,0W

·   En déduire l’intensité du courant, supposée constante qui le traverse : I = Pel/UAB          AN : I = 0,25A

 

III.           L’EFFET JOULE :

            Définition :

L’effet joule est l’effet thermique associé au passage du courant dans un conducteur. Il se manifeste sous deux formes : transfert sous forme thermique et par rayonnement.

 

            Les conducteurs ohmiques :

R : résistance du conducteur ohmique en ohms (W)

UAB = R.I                   avec                    I : intensité du courant qui le traverse (A)

                                                           UAB : tension électrique à ses bornes (V)         

Un conducteur ohmique est un récepteur passif, toute l’énergie électrique qu’il reçoit est transformée en énergie thermique par effet Joule, noté QJ.

 

 

 

 

 

            Utilisation de l’effet Joule :

L’effet Joule peut-être utile (chauffage électrique, fer à repasser, fours, filament d’une lampe, fusibles…) ou peut nuire au fonctionnement des circuits (pertes en lignes, détérioration de certaines composants électroniques sous l’effet d’une augmentation de température…)

 

IV. BILAN ENERGETIQUE POUR LES RECEPTEURS ACTIFS :

4.1             Electrolyseurs et moteurs :

 

On modélise la caractéristique d’un électrolyseur

par une droite linéaire ne passant pas par l’origine

d’équation UAB = E’ + r’.I         (de la forme UAB = a.I + b)

r’ : résistance interne du récepteur en ohms (W)

avec                                                   

I : intensité du courant qui le traverse (A)

UAB : tension électrique à ses bornes (V)         

E’ : force contre électromotrice (V)

 

 

 


4.2             Bilan énergétique et bilan de puissance :vidéo

Pe = UAB.I = r’I² + E’I : puissance électrique reçue ;   

PJ = r’I² : puissance dissipée par effet joule

Pu = E’I : puissance utile     ;    Rendement : r = Wu/We = E’I/UABI = E’/UAB

 
 

 

 

 

 

 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


IV.             BILAN ENERGETIQUE D’UN GENERATEUR :

 

            Définition :

Un générateur est un dispositif transformant de l’énergie mécanique(génératrice), chimique (pile) ou autre (rayonnement : photopile) en énergie électrique fournie à un circuit électrique. Une partie de cette énergie électrique est dissipée par effet joule. On étudiera uniquement le générateur de tension.

 

 

 

                                                                                                   N

 

 

 

Générateurs électrochimiques :

 

 

On modélise la caractéristique d’un générateur

par une droite linéaire ne passant pas par

l’origine d’équation UPN = E - r.I   (de la forme UPN = a.I + b)

avec

r : résistance interne du générateur en ohms (W)

I : intensité du courant qui le traverse (A)

UAB : tension électrique à ses bornes (V)         

E : force électromotrice du générateur (V)

 

             

            Bilan de puissance et bilan énergétique :

 Pt = Pe + PJ

 Pt : puissance électrique totale fournie par le générateur

 Pe : puissance électrique disponible aux borne du générateur

  Pj : puissance dissipée par effet joule dans le générateur

 

Remarque : si la résistance interne du générateur est négligeable alors UPN = E. Le générateur est alors appelé « générateur idéal de tension », car il n’y a pas d’énergie dissipée par effet joule.