Chapitre n°1 : Le courant continu I – Rappels sur le courant électrique I Symbole de quelques dipôles : Vocabulaire Dipôle : C'est un conducteur relié par 2 points à un circuit. Générateur : C'est le dipôle qui fournit le courant électrique au circuit. Circuit électrique : Il est constitué : - d'un générateur ; - d'un ou plusieurs dipôles récepteurs. Noeud : C'est la borne d'un dipôle où au moins 2 fils sont reliés. Maille : C'est un chemin fermé passant par différents points d'un circuit. Branche principale : C'est une portion de circuit située entre 2 noeuds qui contient le générateur. II – Intensité du courant électrique I L’intensité du courant électrique qui traverse un dipôle représente la quantité de courant qui circule dans ce dipôle en une seconde ( débit de courant ). Par convention, le courant sort par la borne + du générateur et entre par la borne – et se déplace en sens inverse de celui des électrons. L’intensité du courant électrique, notée I, s’exprime en Ampère (A). Multiple et sous multiple : le milliampère (mA), le kiloampère (kA) 1 A = 1000 mA = 0,001 kA Mesure d’une intensité On utilise un ampèremètre dont le schéma simplifié est : Pour mesurer l’intensité du courant qui traverse un dipôle, on branche l’ampèremètre en série avec ce dipôle. Chapitre 1: Le courant continu 1 Lois des intensités: 1) Circuit en série Loi d’égalité des intensités : Dans un circuit en série, l’intensité du courant électrique est la même en tout point du circuit. I1 = I2 = I3 2) Circuit en dérivation Loi d’additivité des intensités ( ou loi des noeuds): Dans un circuit en dérivation, l'intensité du courant dans la branche principale est égale à la somme des intensités des courants dans les branches dérivées. I = I1 + I2 III – Tension électrique U La tension électrique qui existe entre deux points d’un circuit représente la différence d’état électrique qu’il y a entre ces deux points, ou différence de potentiel La tension électrique est notée U et s’exprime en volt (V). Multiple et sous multiple: - le kilovolt (kV) : 1 kV = 1000 V - le millivolt (mV) : 1 V = 1000 mV. Mesure d’une tension électrique : On utilise un voltmètre représenté par : Pour mesurer la tension entre les deux bornes d’un dipôle, on branche le voltmètre en dérivation entre les bornes de ce dipôle. Lois des tensions : 1) Circuit en série Loi d’additivité des tensions : Dans un circuit en série , la tension du générateur est égale à la somme des tensions des autres dipôles. Upile = Ulampe + U résistance 2) Circuit en dérivation Loi d'égalité des tensions : Dans un circuit en dérivation, la tension dans la branche principale est égale aux tensions des branches dérivées. Upile = Ulampe = U résistance Chapitre 1: Le courant continu 2 IV – La loi d'Ohm aux bornes d'un résistor( ou « résistance ») La résistance ( ou conducteur ohmique) représente l'opposition qu'offre un matériau à la circulation d'un courant. Elle se note R et s'exprime en Ohm( ) et se mesure à l'aide d'un appareil appelé ohmmètre placé en dérivation. Symbole : Toute mesure de résistance dans un circuit doit être effectuée hors tension. La résistance électrique transforme l'énergie électrique en énergie thermique La tension U entre les bornes d'un conducteur ohmique de résistance R est égal au produit de l'intensité I qui le traverse par sa résistance: U=RxI U ( en V) O I ( en A) Caractéristique d'un conducteur ohmique V – La puissance électrique Puissance nominale : C'est la puissance indiquée par le constructeur. Puissance électrique : P = U x I La puissance consommée par une installation est égale à la somme des puissances des appareils en fonctionnement. VI – Effet Joule Dans un conducteur ohmique ( = résistance), l'énergie électrique est intégralement transformée en chaleur ; C'est l'effet Joule. L'effet Joule présente des avantages pour des systèmes qui produisent de la chaleur ( radiateurs électriques, bouilloire , four, …) mais c'est un inconvénient pour des système dont la production de chaleur n'est pas souhaitable ( moteur électrique, lampes, …). On parle de puissance perdue par effet Joule. Puissance électrique dissipée par effet Joule : P E.J = R x I² Chapitre 1: Le courant continu 3 VII – L'énergie électrique Energie électrique : E = P x Δt ou E = U x I x Δt E Remarque : 1 Wh = 3600 J Energie électrique dissipée par effet Joule : E E.J = R x I² x Δt Chapitre 1: Le courant continu 4 STOCKAGE ET TRANSPORT DE L'ENERGIE ELECTRIQUE 1. Nécessité de stocker et de transporter l’électricité Les lieux d’exploitation des ressources énergétiques sont souvent éloignés des zones de consommation. L’énergie doit donc pouvoir être stockée et transportée. Document 1 : Le stockage de l’énergie « On appelle énergies primaires, les énergies directement accessibles dans la nature : énergies fossiles, énergie nucléaire et énergies renouvelables. Ces énergies constituent le « mix énergétique ». Pour la plupart des applications, il est nécessaire de convertir l’énergie afin de la rendre compatible avec l’usage envisagé. De plus, pour qu’elle puisse être disponible à tout moment, il est indispensable de la stocker : « la mettre en conserve » pourrait-on dire. Ce stockage peut se décliner sous diverses formes. L’énergie peut être stockée sous forme mécanique (dans le cas d’une retenue d’eau d’un barrage) ou chimique (piles et accumulateurs) par exemple. La gestion de l’énergie est donc un art subtil qui associe production, transformation, transport et stockage. Dans le cas des sources d’énergies renouvelables (solaire, éolienne …), exploitables de façon intermittente, le stockage de l'énergie pose problème. En effet, la capacité installée est parfois supérieure à ce que peut supporter le réseau électrique lorsque les conditions météorologiques sont très favorables. Les moyens de production impliqués sont alors déconnectés du réseau, entraînant la perte de cette énergie verte. Document 2 : L’électricité, un mode de transport de l’énergie L’électricité n’est ni une source ni une forme d’énergie. Il s’agit plutôt d’un vecteur énergétique, c'est-à-dire d’un mode de transport de l’énergie. Au départ, il faut la fabriquer à partir d’une source d’énergie primaire (fossile, fissile ou renouvelable). Ensuite, pour s’en servir, il faut la retransformer : en travail mécanique (moteur électrique), en chaleur (radiateur électrique), en froid (réfrigérateur), en lumière (lampe), en information (ordinateur, téléviseur)… Document 3 : Comment transporte-t-on l’électricité ? L'électricité circule depuis le lieu où elle est produite jusqu'à l'endroit où elle est consommée, empruntant des lignes électriques aériennes et souterraines que l’on peut comparer au réseau routier avec ses autoroutes (lignes très haute tension T.H.T.), ses voies nationales (lignes haute tension H.T.), ses voies secondaires (lignes moyenne et basse tension B.T.). Ces lignes permettent de transporter et de distribuer l'énergie électrique sur l'ensemble du territoire français et même vers d'autres pays d'Europe. Comme l'électricité ne peut pas se stocker, la production doit être ajustée à la consommation qui varie selon la saison, la météo du jour, l'heure... 1.Quelle imprécision est faite dans la phrase entre guillemets du document 1 ? . 2. Pourquoi est-il nécessaire de stocker l’énergie ? 3. Sous quelles formes l’énergie peut-elle être stockée (donner deux exemples) ? 4. Comment peut-on définir l’électricité et comment la transporte-t-on ? 5. Le stockage de l’électricité est-il possible ? Quelle contrainte cela entraîne-t-il ? Chapitre 1: Le courant continu 5 2. Stockage de l'énergie électrique Le stockage n’est possible que si on transforme l'énergie électrique en une autre énergie stockable : • mécanique : les barrages stockent l’énergie sous forme d’énergie potentielle de pesanteur. • chimique dans les piles et les accumulateurs. 2.1. Les piles Elles permettent la conversion de l’énergie chimique en énergie électrique. Les piles ne sont pas des accumulateurs électrochimiques, car elles ne sont pas rechargeables. Le mot pile est celui employé par Volta qui en 1800 réalisa la première pile électrique en empilant des disques de zinc et de cuivre séparés par des rondelles de tissu imbibé de saumure (H20 + NaCl). 2.1.1. La pile Daniell Une pile est constituée par deux demi-piles reliées par un pont salin. Une demi-pile est l’ensemble constitué d’un métal plongeant dans une solution contenant son cation conjugué. Les deux métaux sont appelés électrodes et constituent les pôles de la pile. 2.1.2. La pile à combustible( PAC) :Une pile propre ! La pile à hydrogène est une pile à combustible utilisant le dihydrogène et le dioxygène. Il s’agit d’une combustion de dihydrogène et de dioxygène, avec production simultanée d’électricité, d’eau et de chaleur, d’équation suivante : 2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O (l) Pour mettre en œuvre cette réaction, on dispose de deux électrodes l’anode et la cathode séparées par un électrolyte (milieu bloquant le passage des électrons mais laissant circuler les ions). Ces piles peuvent être développées pour les automobiles lorsque le problème de stockage du dihydrogène est résolu. 2.2. Les accumulateurs L’utilisation de batteries permet de stocker l’énergie électrique sous forme électrochimique. Un accumulateur est caractérisé par une capacité, notée C , qui représente la quantité maximale d'électricité qu'il peut débiter. La capacité peut s'exprimer en Ampère-heure (A.h). Pour déterminer l'énergie électrique stockée dans un accumulateur, on peut utiliser la relation suivante : Estockée = C x U avec Energie stockée (en watt-heure Wh) C :capacité (en A.h) U: tension (en Volt) Les accumulateurs au plomb sont encore utilisés de nos jours (dans les batteries de voiture par exemple). Leur principe de fonctionnement n’est pas nécessairement évident à aborder. La batterie permet le démarrage du véhicule et le fonctionnement de l’électronique à l’arrêt. La commercialisation de grosses batteries, destinées par exemple à propulser des voitures électriques, pose encore des problèmes (coût, risque d'échauffement excessif, durée de vie...). Toutefois, des véhicules roulent déjà : la « Tesla », avec sa batterie de 450 kg, a une autonomie de plus de 300 km et des performances de voiture sportive. Leur utilisation présente des avantages économiques, grâce à leur performance et particulièrement, leur longue durée de vie. Chapitre 1: Le courant continu 6
