Chapitre 1 : Faire des mesures en chimie
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Partie IV : Electrodynamique Chapitre 12 : Générateurs et récepteurs Chapitre 12 : Générateurs et récepteurs I. Courant, tension et dipôles Activité : « Quelle est la lampe qui brille le plus ? » 1) Intensité du courant électrique a) Définition Un courant électrique correspond à un déplacement de particules portant une charge électrique : - Dans le cas d'un conducteur métalliques, ces particules sont les électrons libres du métal. - Dans le cas des solutions électrolytiques, ces particules sont les ions en solution. Si Δq est la charge électrique totale qui traverse la section d’un conducteur pendant une durée Δt, alors l'intensité I du courant qui circule dans ce conducteur est défini par : Δq I= avec Δq en coulombs (C), Δt en secondes (s), I en ampères (A) Δt L'intensité du courant correspond donc au « débit d'électricité ». C’est une grandeur positive. b) Orientation et mesure Par convention, le sens du courant électrique est le sens du mouvement des porteurs de charges positives, c'est-à-dire qu'il sort par la borne + du générateur. Quand on ne connaît pas le sens du courant sur une portion AB d’un circuit, on oriente arbitrairement le circuit de A vers B et on définit une intensité algébrique IAB pour le courant. - Si le courant circule de A vers B alors l'intensité algébrique IAB est positive, IAB = I. - Si le courant circule de B vers A alors l'intensité algébrique IAB est négative, IAB = -I. L'intensité du courant électrique est mesurée avec un ampèremètre branché en série. Il mesure l'intensité algébrique du courant qui le traverse en circulant de la borne A vers la borne COM. 2) Tension et potentiel électrique a) Définition Pour caractériser l’état du circuit électrique en un point A on utilise une grandeur appelée potentiel électrique du point A et notée V A. L’unité du potentiel électrique est le volt (V). La tension électrique entre deux points A et B d’un circuit correspond à la différence des potentiels électriques des points A et B. On écrit donc : UAB = VA - VB. La tension électrique est une grandeur algébrique : UAB = - UAB b) Mesure et représentation La tension électrique entre deux points A et B est mesurée à l'aide d'un voltmètre branchée en dérivation (en parallèle) entre A et B. Pour mesurer la tension UAB : - La borne V doit être reliée au point A. - La borne COM doit être reliée au point B. Sur un schéma, la tension UAB est représentée par une flèche orientée de B vers A. 3) Fonctionnement d’un dipôle électrique Activité : « Comment alimenter une lampe sous une puissance donnée ? » PHYSIQUE 1ère S - PHYSIQUE 1ère S- PHYSIQUE 1ère S- PHYSIQUE 1ère S- PHYSIQUE 1ère S- PHYSIQUE 1ère S Partie IV : Electrodynamique Chapitre 12 : Générateurs et récepteurs Un dipôle est un composant qui possède deux bornes. Pour chaque dipôle, il existe une relation entre la tension UAB entre ses deux bornes et l'intensité I du courant qui le traverse : c’est la loi de fonctionnement du dipôle. La représentation graphique de la loi de fonctionnement d’un dipôle est appelée caractéristique du dipôle (voir TP). II. Circulation des charges électriques et transferts d’énergie 1) Interprétation mécanique microscopique du courant électrique L’intensité du courant électrique correspond au flux de circulation de la charge électrique et dépend donc de la vitesse de circulation des charges électriques. On considère un conducteur cylindrique de section S, contenant des charges de valeur q avec un nombre n de charges par unité de volume et dans lequel ces charges circulent à la vitesse v. Pendant une durée Δt, toutes les charges contenues dans un cylindre de base S et de hauteur L = v Δt traversent une section droite du conducteur. La charge totale qui traverse une section droite du conducteur pendant une unité de temps est donc donnée par Q = q n S L = q n S v Δt. L’intensité du courant qui correspond au flux de circulation de la charge électrique s’écrit I = Q/ Δt et on obtient donc : I=nqSv 2) Interprétation mécanique microscopique de la tension électrique La circulation des charges dans un circuit est due à l’existence d’une force électrique motrice qui s’exerce sur chaque charge. Le potentiel électrique permet de définir l’énergie potentielle électrique E pe (appelée énergie électrostatique) d’une charge q : Epe = q V. Remarque : On peut faire le parallèle avec l’énergie potentielle de pesanteur : Epp = P z (avec P = mg). La charge remplace le poids alors que le potentiel électrique remplace l’altitude. La variation d’énergie potentielle électrique entre deux points du circuit est égale à l’opposée du travail de la force électrique motrice entre ces deux points : ΔEpe = - W(Fe) Remarque : on peut faire le parallèle avec l’énergie potentielle de pesanteur : ΔEpp = - W(P) On en déduit que le travail de la force électrique motrice s’exerçant sur une charge q entre deux points A et B peut s’écrire : WAB(Fe) = q UAB La tension UAB entre deux points A et B d’un circuit, correspond au travail, sur AB, de la force électrique motrice exercée par unité de charge. 3) Transferts d’énergie Dans un circuit électrique fermé, il a transfert d'énergie électrique du générateur vers les récepteurs. Ce transfert d'énergie électrique est réalisé grâce à la circulation des charges électriques Lorsque l’intensité du courant est constante, l’énergie cinétique des charges mobiles ne varie pas car le travail de la force motrice du générateur est compensé par des travaux résistant des forces dissipatives des récepteurs. Un générateur est un dipôle qui fournit de l'énergie électrique via le travail d’une force électrique motrice. Un récepteur est un dipôle qui dissipe de l'énergie électrique via le travail de forces électriques dissipatives. PHYSIQUE 1ère S - PHYSIQUE 1ère S- PHYSIQUE 1ère S- PHYSIQUE 1ère S- PHYSIQUE 1ère S- PHYSIQUE 1ère S Partie IV : Electrodynamique Chapitre 12 : Générateurs et récepteurs Il existe plusieurs types de dipôles selon leur mode de conversion de l’énergie électrique : - Les conducteurs ohmiques convertissent toute l’énergie électrique en énergie thermique. - Un électrolyseur convertit une partie de l’énergie électrique en énergie chimique. - Un moteur convertit une partie de l’énergie électrique en énergie mécanique. III. Energie et puissance électrique reçue par un récepteur 1) Définitions de la puissance et de l’énergie électrique reçue Lorsqu'un récepteur, de bornes A et B, est traversé par un courant d'intensité I circulant de A vers B, la tension UAB est positive. La puissance électrique reçue par ce récepteur est : Pe = UAB x I Avec : Pe en watt (W), UAB en volt (V) et I en ampère (A). L'énergie électrique reçue par le récepteur pendant une durée Δt est : We = Pe x Δt = UAB x I x Δt Avec We en joule (J) et Δt en seconde (s) L'énergie électrique reçue dépend de la puissance électrique reçue (caractéristique du dipôle) mais également de sa durée de fonctionnement. Activité : « Interprétation microscopique de la puissance électrique reçue par un récepteur » 2) Les récepteurs passifs : cas des conducteurs ohmiques a) La loi d’Ohm La tension aux bornes d'un conducteur ohmique est proportionnelle à l'intensité du courant qui le traverse. Si le courant circule de A vers B : UAB = R x I Avec : UAB en volt (V), I en ampère (A) et R en ohm (Ω) Le coefficient de proportionnalité R est la résistance du conducteur ohmique. On peut également écrire : I = G x UAB où G = 1 est la conductance exprimée en siemens (S). R b) L’effet Joule Activité : « Effet Joule : interprétation microscopique » De manière générale, l’effet Joule est l’effet thermique qui correspond au fait qu’une partie de l’énergie reçue ou cédée par tous les dipôles est transférée au milieu extérieur, soit par transfert thermique (chaleur), soit par rayonnement. Dans le cas d'un conducteur ohmique, toute l'énergie électrique reçue We est dissipée par effet Joule, c'est-à-dire transférée au milieu extérieur sous forme de chaleur QJ : We = QJ. La puissance dissipée par effet Joule est : PJ = UAB x I. Or la loi d’Ohm donne UAB = R x I. On obtient : PJ = R x I2 ou PJ = UAB2 R L'énergie dissipée par effet Joule pendant une durée Δt est donc : We = QJ = R x I2 x Δt PHYSIQUE 1ère S - PHYSIQUE 1ère S- PHYSIQUE 1ère S- PHYSIQUE 1ère S- PHYSIQUE 1ère S- PHYSIQUE 1ère S Partie IV : Electrodynamique Chapitre 12 : Générateurs et récepteurs L'effet Joule est utilisé dans tous les appareils de chauffage électrique : radiateur, four, . . . Il est également utilisé dans les lampes à incandescence : le filament porté à haute température émet de la lumière car une partie de l'énergie thermique est transférée au milieu extérieur par rayonnement. Si l'effet Joule est trop important, le dipôle peut être détérioré. Les fabricants de conducteurs ohmiques indique donc la puissance maximale admissible Pmax et il faut toujours avoir PJ < Pmax. 3) Les récepteurs actifs : cas du moteur et de l’électrolyseur a) Caractéristique La caractéristique d'un récepteur actif, dans son domaine de fonctionnement usuel, lorsqu'il est traversé par un courant circulant de A vers B, peut être modélisée par une portion de droite d'équation UAB = E + r I - E est la force contre-électromotrice (fcem) du récepteur exprimée en volt (V) - r est la résistance interne du récepteur exprimée en ohm (Ω). b) Bilan énergétique On fait le bilan d'énergie par unité de temps, c'est-à-dire des bilans de puissance : La puissance électrique reçue par le récepteur est Pe = UAB x I = (E + r I) x I soit Pe = E I + r I2 Cette puissance électrique est entièrement dissipée par le récepteur : On écrit Pe = Pu + PJ, avec : - Le terme Pu = E I correspond à la partie de l'énergie électrique reçue transformée en énergie utile : énergie mécanique dans le cas d’un moteur ou énergie chimique dans le cas d’un électrolyseur. - Le terme PJ = r I2 correspond à l'énergie électrique dissipée par effet Joule. On définit le rendement énergétique d’un récepteur actif par η = Pu/Pe. Il exprime l’efficacité de la conversion de l’énergie électrique en énergie utile. Pour l’augmenter il faut minimiser l’effet Joule. IV. Energie et puissance électrique fournie par un générateur 1) Loi de fonctionnement d’un générateur a) Cas d'une pile La caractéristique d'une pile, dans son domaine de fonctionnement usuel, peut être modélisée par une portion de droite d'équation : UPN = E - r I - E est la force électromotrice (fem) de la pile exprimée en volt (V). Elle correspond à la tension aux bornes de la pile quand le circuit est ouvert. - r est la résistance interne de la pile exprimée en ohm (Ω). b) Autres types de générateurs Alimentation stabilisée : Si l'intensité ne dépasse pas une certaine valeur (2 A), la tension entre ses bornes ne dépend pas de l'intensité du courant débité. Batterie d'accumulateurs au plomb : C'est un générateur électrochimique avec une résistance interne très faible (quelques centièmes d'ohm). La tension entre ses deux bornes est donc pratiquement constante si l'intensité du courant n'est pas trop élevée. Générateur électromécanique : Un moteur à courant continu est une machine réversible : si on lui fournit de l'énergie mécanique, il en convertit une partie en énergie électrique (« dynamo »). Sa loi de fonctionnement est analogue à celle d'une pile dans son domaine de fonctionnement usuel, la f.e.m. dépendant de la vitesse de rotation. PHYSIQUE 1ère S - PHYSIQUE 1ère S- PHYSIQUE 1ère S- PHYSIQUE 1ère S- PHYSIQUE 1ère S- PHYSIQUE 1ère S Partie IV : Electrodynamique Chapitre 12 : Générateurs et récepteurs On distingue deux types de générateurs : - Source idéale de tension : Un générateur est une source idéale de tension dans un certain domaine, s'il maintient entre ses bornes une tension indépendante du courant qui le traverse. Sa caractéristique obéit à l'équation UPN = E dans ce domaine. - Générateur linéaire : Un générateur est linéaire dans un certain domaine, si sa caractéristique obéit à l'équation UPN = E - r I dans ce domaine. Il est équivalent à l'association en série d'une source idéale de tension de f.e.m. E et d'un conducteur ohmique de résistance r. 2) Bilan énergétique On fait le bilan d'énergie par unité de temps, c'est-à-dire des bilans de puissance : La puissance électrique fournie par le générateur est : Pe = UPN x I = (E - r I) x I soit Pe = E I - r I2 Un générateur est un appareil qui convertit en énergie électrique une autre forme d'énergie : on peut écrire Pe = Pu + PJ, avec : - Le terme Pu = E I correspond à l'énergie utile convertie dans le générateur : énergie chimique dans le cas d'une pile ou d'un accumulateur, énergie mécanique dans le cas d'une dynamo. - Le terme PJ = r I2 correspond à l'énergie électrique dissipée par effet Joule à l'intérieur du générateur. On définit le rendement énergétique d’un générateur par η = P e/Pu. Il exprime l’efficacité de la conversion de l’énergie utile en énergie électrique. Pour augmenter le rendement il faut minimiser l’effet Joule. PHYSIQUE 1ère S - PHYSIQUE 1ère S- PHYSIQUE 1ère S- PHYSIQUE 1ère S- PHYSIQUE 1ère S- PHYSIQUE 1ère S
