Chapitre 14 : Aspects énergétiques des phénomènes électriques PDF

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Chapitre 14

Aspects énergétiques des phénomènes

électriques14.1 Définitions et lois de base au sein d"un circuit électrique . . . . . . . . . .100

14.1.1 Définitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

100

14.1.2 Lois élémentaires de l"électricité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

100

14.1.3 Générateur de tension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

101

14.2 Puissance et énergie électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

102

14.2.1 Puissance électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

103

14.2.2 Énergie électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

103

14.2.3 Effet Joule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

103

14.2.4 Conversion d"énergie et rendement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

104

100Chapitre 14.Aspects énergétiques des phénomènes électriquesE

nphysique, le fonctionnement des phénomènes électriques est un domaine d"étude ayant beaucoup

d"applications, notamment depuis l"avènement des circuits électriques. La première section de

ce chapitre introduit les grandeurs physiques d"intérêt en électricité, en rappelant les lois de base du

nouveau programme de seconde, permettant de comprendre le fonctionnement d"un circuit électrique.

Les sections suivantes s"attachent à découvrir et comprendre le fonctionnement de ces circuits d"un

point de vue énergétique. On définira l"énergie et la puissance électrique d"un dipôle, ainsi que le

rendement énergétique d"un système.

14.1 Définitions et lois de base au sein d"un circuit électrique

14.1.1 Définitions

Uncircuit électriqueest un ensemble de composants électriques reliés entre eux sous la forme d"un

circuit fermé, parcouru par un courant électrique. Unporteur de chargeest une entité chargée (positivement ou négativement), pouvant circuler

librement au sein d"un circuit électrique. Les électrons sont les porteurs de charges dans les circuits

électroniques. Les ions peuvent également assurer ce rôle dans une solution. Unmilieu conducteurest un milieu au sein duquel des porteurs de charges peuvent circuler. Les

métaux sont des solides ayant des propriétés conductrices, tout comme les solutions ioniques.

Latension électrique(souvent notéeUAB) entre un pointAet un pointBd"un circuit électrique,

est une grandeur exprimée en volts (V), qui caractérise grossièrement la différence entre le nombre de

porteurs de charges présents entre les pointsAetB. La définition exacte de cette grandeur n"est pas

triviale à expliquer et nécessite la connaissance de notions hors programme.

L"intensité(notéeI) ducourant électriqueest une grandeur exprimée en ampères (A), qui carac-

térise le débit de porteurs de charges circulant dans un circuit électrique par unité de temps.Intensité électrique : débit de charge

L"intensité du courant électrique exprime le nombre de porteurs de charges circulant par unité

de temps au sein d"un circuit électrique :

I=QΔt

Il"intensité du courant (en A)

Qla quantité de charges (en C)

Δtla durée (en s)On appelleconvention générateurle cas où la tension aux bornes d"un dipôle est dans le même

sens que l"intensité. Un générateur est undipôle actif, il fournit de l"énergie au circuit.

On appelleconvention récepteurle cas où la tension aux bornes d"un dipôle est dans le sens

contraire de l"intensité. Un récepteur est undipôle passif, il consomme l"énergie électrique.

14.1.2 Lois élémentaires de l"électricitéPoisson Florian Spécialité Physique-Chimie 1

ère

14.1.Définitions et lois de base au sein d"un circuit électrique101Loi des mailles

La somme algébrique des tensions élec-

triques au sein d"une maille d"un circuit

électrique est nulle.

E-U1-U2= 0

E=U1+U2

Remarque :

Attention à tenir compte du sens des ten-

sions électriques en fonction de la convention générateur ou récepteur.Loi des nuds

La somme des intensités entrantes au

niveau d"un noeud est égale à la somme des intensités sortantes.

I=I1+I2

Remarque :

Attention à tenir compte du sens du courant

dans chaque branche arrivant au niveau du noeud.Loi d"Ohm La tension aux bornes d"une résistance élec- trique est proportionnelle au courant qui la traverse : U AB=RI

Ula tension (en V)

Il"intensité (en A)

Rla résistance (en OhmsΩ)14.1.3 Générateur de tension

Caractéristique tension-courant d"un dipôle

Lacaractéristique tension-courantd"un dipôle est le tracé de la courbe représentant la tension à

ses bornes en fonction de l"intensité qui le traverse.

Générateur de tension idéal

Un générateur de tension idéal est une source qui fournit une tension constante au circuit. Cette

tension est indépendante de l"intensité du courant électrique qui traverse le générateur. Elle est notée

Eet appelée force électromotrice. La caractéristique tension-courant d"un tel générateur sera donc

une fonction constante, comme le montre la figure 14.2

Générateur de tension réel

Contrairement au générateur de tension idéal, le générateur réel voit la tension à ses bornes varier en

fonction de l"intensité qui le traverse.Spécialité Physique-Chimie 1

èrePoisson Florian

102Chapitre 14.Aspects énergétiques des phénomènes électriquesGénérateur réel de tension

On peut modéliser un générateur réel de tension par l"association d"un générateur idéal de

tension de force électromotriceEet d"unerésistance internenotéer. Ainsi, à l"aide de la loi

des mailles et de la loi d"Ohm, on obtient : U g=E-rIFigure 14.1- Schéma modélisant un générateur réel de tension La caractéristique d"un tel générateur réel est représentée sur la figure 14.2

.Figure 14.2- Caractéristique tension-courant pour un générateur idéal de tension (en rouge) et pour un générateur

réel de tension (en bleu).

14.2 Puissance et énergie électrique

De manière générale en physique, l"énergiereprésente le stock disponible alors que la puissance

représente la vitesse à laquelle ce stock est utilisé. Ici en électricité, l"énergie électrique correspond au

nombre de porteurs de charges disponibles, alors que la puissance électrique donnera le débit d"énergie,

la vitesse à laquelle ces porteurs de charge sont transférés.Poisson Florian Spécialité Physique-Chimie 1

ère

14.2.Puissance et énergie électrique10314.2.1 Puissance électrique

Puissance électrique

Pour un dipôle à travers lequel passe un courant d"intensitéI, et ayant une tensionUà ses

bornes, la puissance électrique est donnée par la relation suivante :

P=U×I

Pla puissance électrique (en W)

Ula tension (en V)

Il"intensité (en A)Remarque:Si le dipôle est un générateur,Preprésente la puissance fournie par ce dernier au circuit.

Si le dipôle est un récepteur, alorsPreprésente la puissance reçue.

Exemple:Un dipôle est traversé par un courant électrique d"intensitéI= 25 mAet possède une

tension à ses bornes deU= 1,5V. La puissance reçue par ce dipôle est alors deP=U×I=

1,5×25.10-3= 3,8.10-2W = 38 mW.

14.2.2 Énergie électriqueÉnergie électrique

L"énergie électrique d"un dipôle recevant une puissancePpendant une duréeΔtest donnée par

la relation suivante :

E=P×Δt

El"énergie électrique (en J)

Pla puissance électrique (en W)

Δtla durée (en s)Remarque:En électricité, on utilise souvent le " W.h » comme unité pour l"énergie à la place du

" J ». En effet, puisqueE=P×Δt, on peut exprimer la puissancePen W et la duréeΔten h. Exemple:Une ampoule à incandescence de 60 W fonctionne pendant deux heures. L"énergie consom- mée est :

E= 60×2×3600 = 432kJ

14.2.3 Effet JouleEffet Joule

Lorsqu"une résistance électrique reçoit une puissanceP, elle la dissipe sous forme de chaleur.

C"est ce qu"on appelle l"effet Joule:

P=U×I=RI2

Ula tension (en V)

Il"intensité (en A)

Rla résistance (enΩ)

Pla puissance électrique (en W)Spécialité Physique-Chimie 1

èrePoisson Florian

104Chapitre 14.Aspects énergétiques des phénomènes électriques14.2.4 Conversion d"énergie et rendement

Dans la nature, tout système possédant de l"énergie peut utiliser cette énergie en la transférant à un

autre système, ou bien en la convertissant sous une autre forme d"énergie. Par exemple, une éolienne

reçoit de l"énergie mécanique lorsque le vent fait tourner les pales, et convertit une partie de cette

énergie en énergie électrique. En électricité, les résistances convertissent l"énergie électrique reçue sous

forme de chaleur.

Lorsque qu"un système reçoit de la puissance, il peut la convertir sous plusieurs formes à la fois.

On distinguera lapuissance utilede la puissance perdue (ou dissipée). Dans l"exemple de l"éo-

lienne, l"énergie mécanique apportée par la rotation des pales est convertie en grande partie en énergie

électrique, mais un certain pourcentage est perdu par dissipation de chaleur. Il faut alors définir le

rendement du système convertisseur comme le rapport entre la puissance utile et la puissance totale

apportée.Rendement

Le rendementηd"un système convertisseur est définit comme étant le rapport entre la puissance

utilePusur la puissance totale apportéePtot:

η=PuP

tot ηle rendement (sans unité ou en pourcentage) P ula puissance utile (en W) P

totla puissance totale (en W)Remarque:Le rendement est un nombre sans dimension compris entre 0 et 1.Poisson Florian Spécialité Physique-Chimie 1

ère

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[PDF] Chapitre 14 : Aspects énergétiques des phénomènes électriques

Chapitre 14

Aspects énergétiques des phénomènes

14.1.1 Définitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14.1.2 Lois élémentaires de l"électricité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14.1.3 Générateur de tension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14.2 Puissance et énergie électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14.2.1 Puissance électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14.2.2 Énergie électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14.2.3 Effet Joule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14.2.4 Conversion d"énergie et rendement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

100Chapitre 14.Aspects énergétiques des phénomènes électriquesE

14.1 Définitions et lois de base au sein d"un circuit électrique

14.1.1 Définitions

I=QΔt

Il"intensité du courant (en A)

Qla quantité de charges (en C)

14.1.2 Lois élémentaires de l"électricitéPoisson Florian Spécialité Physique-Chimie 1

ère

14.1.Définitions et lois de base au sein d"un circuit électrique101Loi des mailles

La somme algébrique des tensions élec-

électrique est nulle.

E-U1-U2= 0

E=U1+U2

Remarque :

Attention à tenir compte du sens des ten-

La somme des intensités entrantes au

I=I1+I2

Remarque :

Attention à tenir compte du sens du courant

Ula tension (en V)

Il"intensité (en A)

Caractéristique tension-courant d"un dipôle

Générateur de tension idéal

Générateur de tension réel

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102Chapitre 14.Aspects énergétiques des phénomènes électriquesGénérateur réel de tension

14.2 Puissance et énergie électrique

ère

14.2.Puissance et énergie électrique10314.2.1 Puissance électrique

Puissance électrique

P=U×I

Pla puissance électrique (en W)

Ula tension (en V)

1,5×25.10-3= 3,8.10-2W = 38 mW.

14.2.2 Énergie électriqueÉnergie électrique

E=P×Δt

El"énergie électrique (en J)

Pla puissance électrique (en W)

E= 60×2×3600 = 432kJ

14.2.3 Effet JouleEffet Joule

C"est ce qu"on appelle l"effet Joule:

P=U×I=RI2

Ula tension (en V)

Il"intensité (en A)

Rla résistance (enΩ)

èrePoisson Florian

104Chapitre 14.Aspects énergétiques des phénomènes électriques14.2.4 Conversion d"énergie et rendement

η=PuP

ère