Phys. N° 08

Transferts d'énergie

 dans un

circuit électrique.

Cours.

 

   

 

Programme 2011 :

Programme 2011 : Physique et Chimie

I - Grandeurs électriques .

1)- Intensité du courant électrique.

2)- Tension électrique.

3)- Représentation tension-courant.

II - Transferts d'énergie au niveau

d'un récepteur.

1)- Définition.

2)- Energie reçue par un récepteur

électrique.

3)- Puissance reçue par un récempteur

électrique.

III - Les conducteurs ohmiques.

1)- Loi d'Ohm pour un conducteur ohmique.

2)- Energie et puissance reçues par un

conducteur ohmique.

IV -L'effet Joule.

1)- Définition.

2)- Transfert d'énergie d'un conducteur

ohmique.

3)- Effet Joule recherché.

4)- Effet Joule indésirable.

V - Transfert d'énergie au niveau d'un

générateur électrique.

1)- Définition.

2)- Énergie et puissance transférées par

un générateur.

VI - Applications.

1)- QCM :

2)- Exercices :

 

 

Exercices : énoncé avec correction

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 ; ...

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I- Grandeurs électriques.

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

On écrit : 

I


Δt 

I intensité en ampère A

Q  = n.e charge électrique en coulomb C  

Δt  durée en seconde s

 

-    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)- Tension électrique.

-    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.

 

1)- Définition.

-    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 . I 2 . Δt

-    Puissance électrique reçue par C.O :

-    PE  = UAB . I      =>     PE  = R . I 2

-    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.

 

IV- L’effet Joule.

 

1)- 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 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

3)- 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 WR).

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

4)- 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.

 

V- Transferts d’énergie au niveau d’un générateur électrique.

 

1)- Définition.

-    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

VI- Applications.

 

1)- QCM :

 

2)- Exercices :

Exercices : énoncé avec correction

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.