recepteurs et generateurs

COURS E1
TRANSFERT D'ENERGIE
DANS UN CIRCUIT ELECTRIQUE
I –RAPPELS SUR LES LOIS DES TENSIONS ET DES INTENSITES
Voir poly et TP E1 A
II – TRANSFERT DE PUISSANCE DANS UN CIRCUIT
Introduction :
-
M
La lampe brille : une partie de l’énergie électrique est convertie en
énergie lumineuse (rayonnement).
-
Le moteur tourne et monte une charge : une partie de l’énergie
électrique est convertie en énergie mécanique (énergie cinétique et
potentielle de pesanteur).
-
On observe une réaction chimique aux bornes de l’électrolyseur :
une partie l’énergie électrique est convertie en énergie chimique.
-
Chacun des trois dipôles va s’échauffer car l’autre partie de
l’énergie qu’il reçoit est convertie en chaleur.
G
1- Définition d’un récepteur
Un récepteur est un dipôle qui transforme l'énergie électrique reçue en une autre forme d'énergie :
–
rayonnement et tranfert thermique pour une lampe
–
énergie mécanique et transfert thermique pour un moteur
–
énergie chimique et transfert thermique pour un électrolyseur
Convention récepteur :
Dans cette convention les flèches associées à la tension U et à l’intensité I sont de sens contraire.
Le dipôle AB est traversé par un courant électrique de A vers B et on considère la tension U AB :
I
A
dipôle
B
Si le dipôle est un récepteur alors la
tension UAB est positive.
UAB
2 – Puissance et énergie reçues par un récepteur
Lorsqu’un récepteur est traversé par un courant électrique d’intensité I, il reçoit une puissance
électrique Pe :
Pe = UABI
I
B
A dipôle
Pe s’exprime en Watt (W).
UAB
L’énergie We reçue par ce récepteur pendant un intervalle de temps t est :
We = Pe.Δt = UABIt
We s’exprime en Joule (J).
3- Définition du générateur
Le générateur est le dipôle qui fournit l’énergie électrique au reste du circuit.
Le générateur est un convertiseur d'énergie :
–
un générateur électrochimique convertit de l'énergie chimique en énergie électrique
– une pile photovoltaïque transforme de l'énergie de rayonnement en énergie électrique
un générateur électromécanique convertit de l'énergie mécanique en énergie électrique
Convention générateur :
Dans cette convention les flèches associées à la tension U et à l’intensité I sont de même sens.
Le courant sort du générateur par la borne P et entre par la borne N. On considère la tension U PN
I
N
P
positive.
G
UPN
4- Puissance et énergie électrique cédée par un générateur
La puissance Pg cédée au circuit par le générateur est égale au produit de la tension UPN entre ses
bornes P et N par l'intensité I du courant débité :
Pg = UPNI
La puissance électrique cédée par un générateur dépend des récepteurs branchés à ses bornes.
L'énergie cédée en une durée Δt vaut :
Wg = Pg.Δt = UPNIt
5- Transfert d'énergie dans un circuit
cf. TP
Le principe de conservation de l'énergie implique : Wg = WL1 + WL2 +...
En considérant l'unité de temps, on écrit : Pg = PL1 + PL2 +...
II – PUISSANCE JOULE
1- Loi d'Ohm
Lorsqu'un courant d'intensité I traverse un conducteur ohmique de A vers B, la tension UAB à ses
bornes est :
UAB =
UAB > 0
RI
UAB en V ; I en A et R est la résistance du conducteur ohmique en ohms ().
Remarque : 1/R = G (conductance en S)
A chaque dipôle, on associe une caractéristique qui est la relation entre la tension U aux bornes du
dipôle et l’intensité I du courant qui le traverse.
I
U (V)
On obtient une droite passant par l'origine, de coefficient
directeur R, qui est la caractéristique du conducteur ohmique
U
I (A)
2.Loi de Joule
Dans un conducteur ohmique, toute la puissance reçue est transférée à l'environnement sous forme de
chaleur (ou transfert thermique) et de rayonnement : c'est l'Effet Joule.
Cette puissance, appelée puissance Joule, est égale à :
U2
PJ = UAB I = RI ou PJ =
R
2
L'énergie transférée par effet JOULE pendant une durée Δt : WJ = RI2t =
U2
t
R
III – PUISSANCE TRANSFEREE PAR UN GENERATEUR
1- Caractéristique Intensité-tension de quelques générateurs
a) générateur idéal de tension (cas des “alimentations stabilisées” pour I<Imax)
U (V)
E
I
N E P
UPN
U est indépendant de I :
U=E
E est la force électromotrice (fem) du générateur (en V).
I (A)
b) générateur linéaire (Pile, batterie…)
U (V)
E
I (A)
Relation linéaire entre U et I :
UPN = E- rI
U en V ; I en A
r est la résistance interne en ohms ().
(r  qques  pour une pile et de 10-2 pour une batterie au plomb)
E est la force électromotrice (fem) en V.
Remarque : Un générateur linéaire est équivalent à l’association d’un générateur idéal de tension de
fem E et d’un conducteur ohmique de résistance r.
2 – Puissance engendrée et puissance fournie par un générateur
N
E,r
P
La puissance fournit par une pile au reste du circuit vaut :
Pg = UI = UPNI = (E – rI).I = EI – rI2
EI = Pg + rI2
rI2 est la puissance dissipée par effet Joule à l'intérieur de la
pile, elle est responsable de son échauffement
U
Reste du circuit
(récepteurs)
EI est la puissance engendrée par les réactions chimiques se
produisant à l'intérieur de la pile
Conformément au principe de conservation de l'énergie : Pch = Pg + PJ
III – PUISSANCE RECUE PAR UN ELECTROLYSEUR OU UN MOTEUR
1 – L'électrolyseur
L'électrolyseur permet d'étudier les transformations chimiques accompagnant le passage du courant
électrique dans une solution électrolytique.
Pour une tension inférieure à U0 l’intensité reste pratiquement nulle ; l’électrolyse n’a pas lieu. Lorsque
l’électrolyse a lieu (I  0), I augmente avec UAB .
Modélisation : U  E : I = 0
U > E : I  0 et relation linéaire entre U et I :
UAB = E + rI
U (V)
E
I (A)
U en V ; I en A
r est la résistance interne en ohms ().
E est la force électromotrice (fem) en V. (tension quand le moteur
n’est traversé par aucun courant)
La puissance reçue par un électrolyseur s'écrit : Pe = UI = EI + rI2 = Pch + PJ
(Energie reçue : We = (EI + rI2)t)
rI2 est la puissance dissipée par effet Joule
EI est la puissance électrique transformée en puissance chimique ; c’est la puissance dite « utile »
2 - Moteur électrique
Comme pour un électrolyseur, pour certains moteurs, on peut écrire
UAB = E + r I
mais E dépend du moteur et de sa vitesse de rotation
Puissance électrique reçue : Pe = UI = EI + rI2 = Pm + PJ
Energie reçue : We = (E I + rI2)t
rI2 est la puissance dissipée par effet Joule
EI est la puissance des forces électromagnétiques dont une partie est transformée en puissance
mécanique