chapitre
8 : transferts d’énergie dans un circuit électrique
I.
CIRCUIT ELECTRIQUE EN
COURANT CONTINU : RAPPELS
Tension électrique :
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, à l’extérieur du générateur,
de la borne positive
à la borne négative.
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 :
W : 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 :
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 :
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
bornes 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.