L'énergie électrique

I. Rappels sur les circuits électriques

• Les principales notions à connaître ont été abordées en seconde dans la fiche suivante :

Signaux et circuits électriques complexes : les capteurs

• A l'issue de cette révision, les notions suivantes sont censées êtres acquises :

  $\circ\quad$ Circuit électrique : réaliser un circuit électrique à partir d’un schéma donné, et inversement, les symboles étant fournis. Représenter le branchement d’un ampèremètre, d’un voltmètre et d’un système d’acquisition ;

  $\circ\quad$ La tension électrique et l'intensité du courant ;

  $\circ\quad$ Loi des mailles et loi des nœuds ;

  $\circ\quad$ Sécurité électrique.

II. Rappel sur le bilan énergétique

1. Bilan d'énergie d'un dipôle

Un bilan d'énergie (ou de puissance) peut se schématiser de la façon suivante :

2. Principe de la conservation de l'énergie ou de la puissance

• Le schéma-bilan sur l'énergie ou la puissance d'un dipôle montre que le principe énoncé par Lavoisier est respecté : "Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme".

• En effet, même si le père de la chimie moderne énonçait cette phrase pour une transformation chimique, celle-ci reste valable pour une étude énergétique d'un dipôle.

• Propriété :

  On peut définir un récepteur comme étant un convertisseur d'énergie qui consomme de l'énergie électrique $W_e$ et la transforme en une ou plusieurs autres formes d'énergie (chimique, mécanique, thermique, etc.).

  Le principe de conservation de l'énergie s'écrit :

  $\boxed{\sum W_{\text{reçues}} = \sum W_{\text{cédées}}}$

  En version puissance, le principe de conservation reste identique :

  $\boxed{\sum P_{\text{reçues}} = \sum P_{\text{cédées}}}$

III. Les générateurs

1. Généralités

$\textcolor{purple}{\text{a. Notion}}$

• Définition :

  Un générateur est un convertisseur d'énergie qui transforme en énergie électrique une autre forme d'énergie (chimique, mécanique, etc.).

$\textcolor{purple}{\text{b. Exemples}}$

• La pile ou l'accumulateur : ils transforment une énergie chimique en énergie électrique. Leurs symboles sont :

  $\circ\quad$ pour la pile :

  

  $\circ\quad$ pour l'accumulateur :

  

• La dynamo ou l'alternateur : ils transforment une énergie mécanique en une énergie électrique.

• La cellule photovoltaïque convertit une énergie lumineuse (ou rayonnante) en électricité. Son symbole est :

$\textcolor{purple}{\text{c. Énergie perdue (ou dissipée) par effet Joule}}$

• Propriété :

  $\circ\quad$ Toute transformation d'une énergie initiale en énergie électrique s'accompagne d'un dégagement de chaleur : il s'agit d'une puissance thermique dissipée par effet Joule ;

  $\circ\quad$ Cette dissipation a lieu aux bornes d'une résistance interne.

• Pour aller plus loin (hors programme) : une source réelle de tension continue est caractérisée par sa force électromotrice (fém), notée $E$ (en volts), qui est la tension à ses bornes en circuit ouvert ($I = 0 \, \text{A}$) et sa résistance interne $r$ (en ohms) :

2. Convention d'orientation du générateur

• Règle :

  Si la tension $U$ aux bornes d'un générateur et l'intensité du courant $I$ le traversant sont dans le même sens, alors le dipôle est en convention générateur.

3. Puissance et énergie électrique fournie par un générateur au circuit

• La puissance électrique $P_e$ fournie par un générateur de tension $U_{PN}$ entre ses bornes et d'intensité $I$ la traversant est :

  $\boxed{P_e = U_{PN} \times I}$

• L'énergie électrique $W_e$ fournie par le générateur pendant la durée $\Delta t$ est :

  $\small \boxed{W_e = P_e \times \Delta t = U_{PN} \times I \times \Delta t}$

4. Bilan énergétique d'un générateur (pour information)

IV. Les récepteurs

1. Reconnaître un récepteur

• Définitions :

  $\circ\quad$ Un récepteur est un convertisseur d'énergie qui consomme de l'énergie électrique et la transforme en une ou plusieurs autres formes d'énergies (mécanique, thermique, chimique, etc.). Pratiquement, un récepteur est un dipôle qui, hors circuit, ne présente aucune tension à ses bornes.

  $\circ\quad$ Un dipôle est un système électrique relié à l'extérieur par deux bornes. Son état électrique est caractérisé par la différence de potentiel (ou tension) à ses bornes et l'intensité du courant qui le traverse.

2. Convention d'orientation d'un récepteur

• Du courant :

  $\circ\quad$ Si $I$ circule dans le sens de l'orientation : $\boxed{I \gt 0}$.

  $\circ\quad$ Sinon, $\boxed{I \lt 0}$.

• De la tension :

• Convention d'orientation d'un récepteur :

• Convention :

  Si la tension $U$ aux bornes d'un récepteur et l'intensité du courant $I$ le traversant sont de sens contraires, alors le dipôle est en convention récepteur.

3. Caractéristique courant-tension d'un dipôle

• Définition :

  Il s'agit de la représentation graphique de la tension $U_{AB}$ aux bornes d'un dipôle en fonction de l'intensité $I$ du courant qui le traverse : c'est la courbe qui caractérise le fonctionnement du dipôle.

• Exemple de courbe caractéristique d'un récepteur :

• Point de fonctionnement :

  $\circ\quad$ Inséré dans un circuit, le dipôle est traversé par un courant électrique d'intensité $I_P$ et la tension entre ses bornes prend la valeur $U_P$ ;

  $\circ\quad$ Le point $P$ de coordonnées ($I_P$ ; $U_P$) sur la caractéristique est appelé point de fonctionnement du dipôle.

4. Cas particulier : le dipôle ohmique (ou résistor)

• Le dipôle ohmique (ou résistor) est caractérisé par une relation de proportionnalité entre l'intensité du courant $I$ qui le traverse et la tension entre ses bornes.

  Le coefficient de proportionnalité est appelé résistance $R$ du dipôle ohmique.

• Loi d'Ohm :

  C'est la loi qui régit $U_{AB}$, la tension aux bornes du dipôle ohmique, avec $I$, l'intensité qui le traverse est :

  $\boxed{U_{AB} = R \times I}$

• Unités :

  $\circ\quad$ $U_{AB}$ en $V$ ;

  $\circ\quad$ $I$ en $A$ ;

  $\circ\quad$ $R$ en ohms ($\Omega$).

• Courbe caractéristique d'un dipôle ohmique : c'est une droite passant par l'origine, dont le coefficient directeur (ou pente) est égal à sa résistance $R$.

• Remarque : plus un dipôle ohmique a une résistance élevée et plus il s'oppose au passage du courant.

5. Bilan énergétique d'un récepteur

$\textcolor{purple}{\text{a. Cas général (pour information)}}$

$\textcolor{purple}{\text{b. Cas particulier : le dipôle ohmique}}$

• Effet Joule :

  La puissance électrique reçue par ce dipôle est dissipée par effet Joule et sous forme de rayonnement (négligeable).

• Expression :

  $\circ\quad$ D'après la loi d'Ohm, $U_{AB} = R \times I$ ;

  $\circ\quad$ La puissance électrique $P_e$ reçue par un résistor de tension $U_{AB}$ entre ses bornes et d'intensité $I$ la traversant est :

  $\boxed{P_e = U_{AB} \times I}$

• Ainsi, la puissance électrique reçue par ce résistor est dissipée par effet Joule a pour expression :

  $\boxed{P_e = R \times I^2}$

• L'énergie électrique $W_e$ reçue par le ce résistor pendant la durée $\Delta t$ est :

  $\small \boxed{W_e = P_e \cdot \Delta t = U_{AB} \cdot I \cdot \Delta t = R \cdot I^2 \cdot \Delta t}$

V. Grandeurs continue et grandeur alternative périodique

1. Deux types de tension

$\textcolor{purple}{\text{a. La tension continue}}$

• On mesure la tension aux bornes d'une pile plate : l'écran du voltmètre indique toujours la même valeur : $4,5~V$.

• Conclusion :

  La tension délivrée par une pile est continue : elle impose un seul sens pour le courant, dont l'intensité est constante au cours du temps.

$\textcolor{purple}{\text{b. La tension alternative}}$

• Une tension alternative est produite grâce à un alternateur.

• Un $GBF$ (Générateur Basse Fréquence) est un générateur de tension alternative dont le symbole est :

• Expérience :

  On réalise le montage suivant :

• Observations :

  $\circ\quad$ Les deux DEL clignotent alternativement ;

  $\circ\quad$ Un voltmètre placé aux bornes du GBF indique des tensions alternativement positives et négatives qui se répètent régulièrement au cours du temps.

• Conclusion :

  $\circ\quad$ La tension délivrée par un GBF est alternative périodique.

  $\circ\quad$ Le courant qu'elle impose circule tantôt dans un sens, tantôt dans l'autre.

  $\circ\quad$ Une tension alternative périodique a des valeurs qui se répètent régulièrement au cours du temps et qui sont alternativement positives et négatives.

2. Représentation d'une tension alternative

• Expérience :

  $\circ\quad$ On branche un voltmètre aux bornes d'un $GBF$.

  $\circ\quad$ On mesure alors les valeurs de la tension toutes les $5$ secondes et on les note dans un tableau.

  

  $\circ\quad$ Traçons la courbe représentant la tension en fonction du temps.

  $\circ\quad$ On recommence la manipulation mais en remplaçant le $GBF$ par la pile plate. Traçons également la courbe sur la même feuille :

  

  $\circ\quad$ Tension maximale : elle varie entre deux valeurs : $U_{max} = 8~V$ et $U_{min} = -8~ V$. La tension maximale $U_{max}$ est la valeur de la tension aux sommets de la courbe. Les valeurs de la tension sont alternativement positives et négatives. On dit que la tension est alternative. La courbe représentant la variation de la tension aux bornes du GBF en fonction du temps est une sinusoïde et la tension est dite sinusoïdale.

  $\circ\quad$ Période : la courbe est constituée d'un motif qui se reproduit régulièrement. La durée de ce motif est : $T = 30~s$. La durée d'un motif élémentaire s'appelle la période et est notée $T$. Elle s'exprime en seconde ($s$). On dit que la tension est périodique.

  $\circ\quad$ Fréquence :

  La fréquence correspond au nombre de motifs par seconde. On la note $f$ :

  $\boxed{f = \dfrac{1}{T}}$

  avec $T$ en $s$.

  La fréquence $f$ s'exprime en Hertz ($Hz$).

  Ici : $f = \dfrac{1}{30} = 0,033~Hz$.

• Conclusion :

  $\circ\quad$ Un $GBF$ délivre une tension alternative, périodique et sinusoïdale.

  $\circ\quad$ La période $T$ est la durée en seconde du plus petit motif qui se répète.

  $\circ\quad$ La tension du $GBF$ varie entre une tension maximale $U_{max}$ et une tension minimale $U_{min}$.

3. Visualisation d'une tension alternative

• L'oscilloscope est un appareil utilisé pour visualiser et étudier une tension continue ou variable en fonction du temps.

• La courbe obtenue sur l'écran d'un oscilloscope est appelée un oscillogramme.

• L'axe vertical constitue l'axe des tensions et l'axe horizontal, celui du temps.

4.Notion de tension efficace

• La tension efficace d’une tension alternative sinusoïdale est liée à la tension maximale par la relation:

  $\boxed{U_{eff} = \dfrac{Umax}{\sqrt{2}}}$

• La mesure de la tension efficace peut être effectuée avec un voltmètre.

• Les valeurs des tensions indiquées sur les appareils par les constructeurs sont des tensions efficaces.

• Ainsi une tension alternative aura les même effets qu’une tension continue si sa valeur efficace correspond à la valeur de cette tension continue.

_{= Merci à gbm pour avoir essentiellement contribué à l'élaboration de cette fiche =}