Phys. N° 08 |
Transferts d'énergie dans un circuit électrique. Cours. |
|
Programme 2011 :
Programme 2020 :
1)- Exercice 5 page 170. |
2)- Exercice 8 page 170. |
3)- Exercice 9 page 170. |
4)- Exercice 12 page 171. |
5)- Exercice 14 page 171. |
Pour aller plus loin :
Mots clés : grandeurs électriques ; intensité électrique ; tension électrique ; récepteur électrique ; conducteur ohmique ; effet Joule ; générateur électrique ; ... |
![]() |
1)- Intensité du courant électrique.
- Un courant électrique est un déplacement de porteurs de charge électrique, c’est un débit de porteur de charge.
- Dans un métal, le courant électrique est dû à un mouvement d’ensemble et ordonné des électrons libres.
- Dans un électrolyte le courant électrique est dû à la double migration des ions positifs et négatifs qui se déplacent en sens inverses.
- Par convention, le courant électrique sort de la borne positive du générateur.
Définition de l’intensité d’un courant électrique :
|
- L’intensité du courant électrique se mesure à l’aide d’un ampèremètre placé en série dans la branche de circuit.
- L’intensité, notée I s’exprime en ampère de symbole A.
- Il existe une tension électrique entre deux points A et B d’un circuit électrique, si c’est deux points ne sont pas dans le même état électrique.
- On dit qu’il existe une différence de potentiel entre ces deux points.
- La tension électrique entre les deux points A et B d’un circuit électrique se note : UAB.
- La tension électrique entre deux points d’un circuit se mesure à l’aide d’un voltmètre qui se branche en dérivation entre ces deux points.
- La tension UAB s’exprime en volt de symbole V.
- Remarque : l’état électrique du point A d’un circuit se note VA.
- Il s’exprime en volt (V).
- On écrit : UAB = VA - VB.
- Représentation schématique de la tension UAB.
- Sur un schéma, on représente la tension
UAB par un segment fléché dont la pointe est du côté du point
A.
- Remarque : la tension est une grandeur algébrique : UAB = − UBA.
- Avec : UAB = VA − VB et UBA = VB − VA
3)- Représentation tension-courant.
- On considère le circuit constitué d’une pile, d’une lampe, d’un interrupteur et de fils conducteurs.
- Schéma normalisé du circuit électrique :
- On ferme l’interrupteur K.
- Un courant I circule dans le circuit.
- Il sort par la borne positive du générateur.
- Pour le générateur (la pile),
- Le courant sort de la borne positive P et la tension UPN > 0.
- La flèche représentant la tension et la flèche indiquant le sens du courant sont de même sens.
- Pour le récepteur (la lampe) :
- Le courant circule de A vers B et la tension UAB > 0.
- La flèche représentant la tension et la flèche indiquant le sens du courant sont de sens contraires.
- Remarque : la flèche représentant la tension est à côté du circuit et la flèche indiquant le sens du courant est sur le circuit.
- Un dipôle peut être étudié en convention récepteur ou en convention générateur.
- Convention générateur :
- La flèche représentant la tension et la flèche indiquant le sens du courant sont de même sens.
- Convention récepteur :
- La flèche représentant la tension et la flèche indiquant le sens du courant sont de sens contraires.
II-
Transferts d’énergie au niveau d’un récepteur.
- Un récepteur électrique est un appareil qui convertit l’énergie électrique qu’il consomme en d’autres formes d’énergie.
- Il fournit de l’énergie au milieu extérieur.
- Exemples :
Lampe |
Énergie
électrique
WE |
=> |
Chaleur Q Rayonnement WR |
Dipôles PASSIFS |
Radiateur |
=> |
Chaleur Q |
||
Moteur |
=> |
Énergie Mécanique WM Chaleur Q |
Dipôles actifs |
|
électrolyseur |
=> |
Énergie chimique Wch Chaleur Q |
2)- Énergie reçue par un récepteur électrique.
- Un récepteur électrique parcouru par un courant I de A vers B, pendant la durée Δt, reçoit l’énergie électrique WE telle que :
- W
E
= U
AB .
I
.
Δt
- C’est l’énergie reçue par le récepteur : WE > 0, UAB > 0.
I intensité en ampère A |
UAB
tension en volt V |
Δt durée en seconde s |
WE énergie en
joule J |
- Schéma :
- En fait cette expression traduit le travail électrique qui s’applique aux électrons pour les déplacer de B vers A.
3)- Puissance électrique reçue par le récepteur électrique.
- La puissance électrique reçue par le récepteur est donnée par la relation suivante :
WE |
UAB .
I
.
Δt |
|||||
PE = |
|
= |
|
=> |
PE = |
UAB . I |
Δt |
Δt |
I intensité en ampère A |
UAB
tension en volt V |
PE puissance en
watt W |
- La puissance électrique PE permet d’évaluer la rapidité d’un transfert d’énergie.
- La puissance est une caractéristique du récepteur.
III-
Les conducteurs ohmiques (C.O).
1)- Loi d’Ohm pour un conducteur ohmique.
- La tension UAB aux bornes d’un conducteur est proportionnelle à l’intensité du courant qui le traverse de A vers B.
- Schéma :
- Le coefficient de proportionnalité se note R, c’est la résistance du conducteur ohmique.
- On écrit : UAB = R . I
2)- Énergie et puissance reçues par un conducteur ohmique.
- Énergie électrique reçue par un C.O :
- WE
= UAB .
I
.
Δt
=>
WE
= R .
I2
.
Δt
- Puissance électrique reçue par C.O :
- PE
= UAB .
I =>
PE
= R .
I2
- Remarque :
- L’énergie électrique reçue par le C.O est cédée à l’extérieur sous forme de chaleur Q et de rayonnement WR :
- C’est l’effet Joule.
- Le passage du courant électrique dans tout appareil s’accompagne d’un échauffement.
- L’effet Joule est l’effet thermique qui accompagne le passage du courant électrique dans un conducteur.
- L’effet Joule se manifeste sous forme de chaleur Q mais aussi de rayonnement WR.
2)- Transfert d’énergie d’un conducteur ohmique.
- Toute l’énergie reçue par un conducteur ohmique est dissipée par effet Joule, elle se note WJ ou QJ.
- Cette énergie dissipée par effet Joule est égale à l’énergie électrique reçue par le conducteur ohmique :
-
WJ
= QJ = WE
= R .
I2
.
Δt
- On en déduit la puissance P J dissipée par effet Joule dans un conducteur ohmique :
- PJ = PE = R . I2
- L’effet Joule est mis à profit :
- Dans les appareils de chauffage : radiateurs, fer à repasser, fours électriques, chauffe-eau,…
- Dans les lampes à incandescence :
- Un filament de tungstène est porté par effet Joule à une température d’environ 2500 ° C.
- Le filament émet de la lumière (énergie rayonnante WR).
- Le filament est placé dans une ampoule qui contient un gaz inerte pour éviter qu’il brûle.
- Dans tous les récepteurs actifs comme les moteurs électriques, les électrolyseurs, l’effet Joule provoque un échauffement inutile ce qui entraîne des pertes.
- On essaie de minimiser les pertes par effet Joule dans les câbles qui transportent le courant en augmentant la tension du courant et en diminuant l’intensité du courant.
- Pour éviter un échauffement excessif des circuits électriques, on utilise des ventilateurs.
V-
Transferts d’énergie au niveau d’un générateur électrique.
- Un générateur électrique est un appareil qui est capable de convertir une forme d’énergie W en énergie électrique WE.
- Exemple :
Pile
|
Énergie chimique Wch |
=> |
Énergie
électrique
WE |
Centrale
thermique |
Chaleur Q |
||
Centrale
Hydraulique |
Énergie Mécanique WM |
||
Photopile |
Énergie rayonnante WR |
2)- Énergie et puissance transférées par un générateur.
- On considère un générateur G qui délivre un courant d’intensité I, dont la tension à ses bornes est égale à UPN.
- En convention récepteur, l’énergie électrique transférée au circuit électrique pendant la durée Δt, par le générateur G, est donnée par la relation :
- WE
= UPN .
I
.
Δt
- Puissance électrique
transférée par le générateur G est donnée par la relation suivante :
- PE
= UPN .
I
I intensité en ampère A |
UPN
tension en volt V |
Δt durée en seconde s |
WE énergie en
joule J |
PE
puissance en watt W |
a)- Exercice 5 page 170. |
b)- Exercice 8 page 170. |
c)- Exercice 9 page 170. |
d)- Exercice 12 page 171. |
e)- Exercice 14 page 171. |