I- Grandeurs physiques. (Rappel : Chap N° 16 Lois de l’électricité)

1)- L’intensité du courant électrique.

a)-  Introduction.

-  Un courant électrique est un déplacement des porteurs de charge électrique, c’est un débit des porteurs 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.

b)-  Définition de l’intensité d’un courant électrique.

-  L’intensité d’un courant électrique est le rapport de la quantité d’électricité Q ayant traversée une section s du circuit par la durée Δt.

-  C‘est un débit de charges électriques.

-  On écrit :

-  Plus le débit de charges électriques est élevé et plus l’intensité du courant est intense.

-  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.

2)- La tension électrique : (rappel de seconde).

-  Représentation de la tension aux bornes d’un dipôle.

-  Schéma :

-  On représente la tension électrique par un segment fléché qui pointe vers la première lettre du symbole de cette tension.

-  L’unité de tension est le volt : V.

-  La tension est une grandeur algébrique.

-  Lors du branchement, il faut faire attention à l’ordre des bornes. 

-  U_AB = – U_BA

II- Les sources de tension continue.

1)- Définition.

-  Une source de tension est un dipôle permettant d’alimenter un circuit électrique.

-  À chaque source de tension est associé sa caractéristique tension-intensité liée au graphique U = f (I).

-  Circuit électrique permettant de tracer la caractéristique d’une source électrique 

-  La caractéristique U_PN = f (I) nous renseigne sur l’évolution de la tension U aux bornes de la source de tension en fonction de l’intensité I du courant qui traverse le circuit.

2)- Source idéale de tension.

-  Une source idéale de tension est  une source électrique qui maintient une tension fixe égale à sa f.é.m. E ceci quelle que soit l’intensité I du courant débité.

-  Il ne faut pas que l’intensité du courant débité dépasse la valeur I_max.

-  Si I > I_max, la tension U_PN aux bornes de la source idéale de tension chute brutalement.

-  Représentation symbolique :

-  La tension U_PN est indépendante de la valeur de l’intensité I débitée.

-  Caractéristique tension-intensité : U_PN = f (I)

3)- Source réelle de tension.

a)-  Étude expérimentale d’une pile de 1,5 V.

-  Cas du générateur : pile alcaline de 1,5 V type AA.

-  Dispositif expérimental :

-  Tableau de mesures :

-  Caractéristique tension-intensité :

-  Expérimentation :

-  Exploitation :

b)-  Représentation symbolique d’une source réelle de tension.

-  Cas d’une pile :

-  Une source réelle de tension peut être modélisée par l’association série d’une source idéale de tension de f.é.m. E et d’un conducteur ohmique de résistance r.

-  La valeur de la tension U_PN aux bornes de la source réelle de courant dépend de la valeur de l’intensité I débitée.

-  La valeur de la tension U_PN aux bornes de la source réelle de courant diminue lorsque la valeur de l’intensité I débitée augmente.

III- Le bilan de puissance.

1)- Transferts d’énergie au niveau d’un récepteur.

a)-  Définition.

-  L’énergie électrique est l’énergie transportée par le courant électrique.

-  Un convertisseur 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 :

b)-  Puissance et énergie électrique d’un convertisseur.

-  Plus généralement, la puissance électrique d’un convertisseur est définie comme le produit de la tension U aux bornes du convertisseur et de l’intensité I du courant électrique qui le traverse.

-  L’énergie électrique consommée par un convertisseur électrique est liée à la durée de fonctionnement et à la puissance du convertisseur.

-  Remarque :

-  On utilise souvent le kilowattheure comme unité d’énergie.

-  1 kW . h = 3,6 × 10⁶ J

c)-  Énergie et puissance reçues par un conducteur ohmique.

-  Énergie électrique reçue par un C.O : W_E = U_AB . I . Δt   =>  W_E  = R . I² . Δt

-  Puissance électrique reçue par C.O : P_E = U_AB . I   =>  P_E  = R . I²

-  Remarque :

-  L’énergie électrique reçue par le C.O est cédée à l’extérieur sous forme de chaleur Q et de rayonnement W_R : c’est l’effet Joule.

2)- L’effet Joule.

a)-  Définition.

-  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 W_R.

b)-  Transfert d’énergie d’un conducteur ohmique.

-  Tout l’énergie reçue par un conducteur ohmique est dissipée par effet Joule, elle se note W_J ou Q_J.

-  Cette énergie dissipée par effet Joule est égale à l’énergie électrique reçue par le conducteur ohmique :

-  W_J = Q_J =  W_E  = R . I² . Δt

-  On en déduit la puissance P_J dissipée par effet Joule dans un conducteur ohmique :

-  P_J =  P_E  = R . I²

c)-  Effet Joule recherché.

-  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 W_R).

-  Le filament est placé dans une ampoule qui contient un gaz inertie pour éviter qu’il brûle.

d)-  Effet Joule indésirable.

-  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.

3)- Bilan de puissance et rendement.

a)-  Bilan de puissance et chaîne de puissance.

-  Au cours d’une conversion, l’énergie et la puissance sont des grandeurs qui se conservent.

-  On peut illustrer cette conservation grâce à la chaîne de puissance.

b)-  Rendement de conversion d’un convertisseur.

-  Le rendement η de conversion d’un convertisseur est une grandeur sans dimension qui mesure l’efficacité de la conversion :

-  Remarque : le rendement η est toujours inférieur ou égal à 1.

-  Application :

-  En utilisant la relation entre puissance et énergie, établir l’expression du rendement en fonction des énergies :

-  W_entrée = P_entrée . Δt

-  W_exploitable = P_exploitable . Δt

-  On tire :

-  Exemples de convertisseur :

-  La pile électrique :

-  La pile électrique transforme de l’énergie chimique en énergie électrique et en chaleur.

-  La pile électrique transforme une puissance chimique en puissance électrique et en puissance thermique.

-  La pile électrique est une source réelle de tension :

ou

-  Relation : U_PN =  E – r . I

-  Si on multiplie cette relation par l’intensité I du courant débitée par la pile :

-  U_PN × I =  E× I – r . I²

-  Le terme U_PN × I  représente la puissance électrique P_élec.

-  P_élec = U_PN × I  

-  Le terme E × I représente la puissance chimique P_chim.

-  P_chim = E × I  

-  Le terme r . I² représente la puissance thermique dissipée sous forme d’effet joule  P_joule.

-  P_joule = r . I²

-  P_élec = P_chim – P_joule

-  Son rendement η est inférieur à 1.

- 

-  Une partie de la puissance chimique stockée dans la pile est dégradée par effet joule à cause de la résistance interne r de la pile.

-  Le conducteur ohmique :

-  Le conducteur ohmique convertit toute la puissance électrique reçue en puissance thermique restituée au milieu extérieur.

-  Loi d’Ohm :

-  U_AB = R . I

-  Si on multiplie cette relation par l’intensité I du courant qui traverse le conducteur ohmique :

-  U_AB . I = R . I²

-  Le terme U_AB × I  représente la puissance électrique P_élec.

-  P_élec = U_AB × I  

-  Le terme R . I² représente la puissance thermique dissipée sous forme d’effet joule  P_joule.

-  P_joule = R . I²

-  P_élec = P_joule

-  Son rendement η est égal à 1.

IV- Applications.

1)- Étude d’un panneau photovoltaïque.

-  Un panneau solaire est exposé au Soleil de façon à capter le rayonnement solaire.

-  Il est constitué de cellules photovoltaïques qui permettent de transformer l’énergie du rayonnement solaire en énergie électrique.

-  Caractéristique intensité-tension d’un panneau photovoltaïque :

-  Données mécaniques :

2)- Questions :

-  Établir le bilan de puissance du panneau photovoltaïque.

-  Déterminer la valeur de la puissance électrique maximale P_max délivrée par le panneau photovoltaïque.

-  Déterminer la valeur de la tension U_m au point de puissance maximale.

-  Déterminer la valeur de l’intensité du courant I_m au point de puissance maximale.

-  Calculer le rendement η du panneau photovoltaïque.

-  Déterminer la valeur de la tension à vide (f.é.m), U₀ du panneau solaire.

-  Déterminer l’intensité du courant de court-circuit I_cc (intensité du courant pour une tension nulle)

-  Déterminer la valeur de la puissance électrique P₁ fournie par le panneau pour une tension de fonctionnement égale à 15 V.

-  Valeur de la puissance électrique P₁ fournie par le panneau pour une tension de fonctionnement égale à 15 V :

-  En déduire l’énergie électrique W_E produite en 10 heures d’ensoleillement.

CORRECTION

3)- QCM :

Réalisé avec le logiciel Questy

Pour s'auto-évaluer

L’intensité du courant électrique

La source réelle de tension continue

Le bilan de puissance

Sous forme de tableau

4)- Exercices :