module 4 Loi d’Ohm – Puissance – Energie – Effet Joule

MODULE 4
Loi d’Ohm – Puissance – Energie – Effet Joule
MODULE 4.
Loi d’Ohm.
Puissance.
Energie.
Effet Joule
Performances-seuils.
L’élève sera capable …
1. de calculer une des grandeurs physiques intervenant sur un circuit électrique
élémentaire ;
2. de restituer l’expression physique de l’énergie ;
3. d’évaluer l’incidence de la variation d’une des grandeurs intervenant dans la
relation de la loi de Joule.
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Loi d’Ohm – Puissance – Energie – Effet Joule
1. Loi d’Ohm.
Considérons la relation :
Effet =
cause
opposition
Toute transformation d’énergie d’une forme à une autre se fait selon une telle relation. Dans
les circuits électriques, l’effet que nous tentons d’établir est le déplacement de charges,
c’est-à-dire le courant. La différence de potentiel entre deux points du circuits est la cause
(« la pression ») de ce déplacement de charges, et l’opposition à ce déplacement est la
résistance du circuit.
COURANT =
DIFFERENCE.DE .POTENTIEL
RESISTANCE
De simples manipulations mathématiques permettent d’exprimer la tension et la résistance en
termes des deux autres grandeurs :
U = R´I
U
R=
I
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Autre façon de comprendre :
1. Branchons aux bornes d’une résistance de 20 W une d.d.p. de 10 V, puis une de 20 V.
Pour U = 10V è l’ampèremètre indique 500 mA et le voltmètre 10V ;
Pour U = 20V è l’ampèremètre indique 1A et le voltmètre 20V.
2. Remplaçons la résistance utilisée par une résistance deux fois plus grande, donc de
40 W.
Pour U = 10V è l’ampèremètre indique 250mA et le voltmètre 10V ;
Pour U = 20V è l’ampèremètre indique 500mA et le voltmètre 20V.
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Constatations :
- Quand pour une résistance identique, la d.d.p. appliquée double, l’intensité du courant
double également.
- Pour une d.d.p. identique, si la résistance double, l’intensité du courant diminue de moitié.
- Pour chacune des expériences, multiplions la valeur de la résistance par la valeur de
l’intensité du courant.
Comparons les résultats obtenus avec la valeur de la d.d.p. appliquée :
Le produit R x I est égale à la valeur de la d.d.p. appliquée.
Conclusion :
La d.d.p. appliquée aux bornes d’un générateur est égal au produit de la résistance présentée
par ce récepteur et de la valeur de l’intensité du courant traversant ce même récepteur.
U = R´ I
2. La puissance.
Reprenons l’expression vue au module 1 :
P =U ´I
Sachant que :
U = R´ I
on peut dire que :
soit :
Sachant aussi que :
P = (R ´ I ) ´ I
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P =U ´ I
et que :
U
I=
R
on peut dire que :
U
P =U ´
R
soit :
3. L’énergie.
Pour qu’une certaine puissance transforme de l’énergie, elle doit être utilisée pendant un
certain temps. Ainsi un moteur d’une puissance suffisante pour entraîner une charge
considérable ne produit une transformation d’énergie que s’il est mis en marche pendant une
certaine période de temps. Plus longtemps fonctionne un moteur, plus grande est la quantité
d’énergie dépensée.
L’énergie perdue ou gagnée par un dispositif se détermine au moyen de la relation :
Puisque la puissance se mesure en watts (ou en joules par seconde) et le temps en secondes,
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l’unité de mesure de l’énergie est le watt-seconde ou le joule comme indiqué ci-dessus. Le
watt-seconde est toutefois une unité trop petite pour être commode ; aussi on utilise
couramment le watt-heure (Wh) ou le kilowattheure (kWh).
Energie( watts - sec ondes ) = puissance ( watts ) ´ temps (sec ondes )
Energie ( kilowatthe ures ) =
puissance ( watts ) ´ temps ( heures )
1000
L’énergie électrique fournie par se service commercial (Electrabel) se mesure au moyen d’un
instrument appelé watt-heuremètre ou compteur d’électricité. Cet appareil se raccorde
directement aux lignes du secteur immédiatement en amont du panneau de distribution des
immeubles.
La consommation d’électricité se mesure en kilowattheures.
Le compteur est muni d’un disque d’aluminium ; plus ce disque tourne rapidement plus
grande est la consommation. C’est ce disque qui entraîne les aiguilles (ou chiffres) des
cadrans par l’intermédiaire d’un train d’engrenages.
Remarque :
Connaissant la formule de la puissance :
P =U ´I
Il est facile de remplacer P par son expression dans la formule de l’énergie et on obtient :
W =U ´ I ´t
4. Effet Joule.
4.1. Définition.
L’effet Joule c’est l’échauffement d’un conducteur au passage d’un courant électrique.
Cette quantité de chaleur s’exprime en Joule (J) ou kilo Joule (kJ).
Un Joule est la quantité nécessaire pour élever de 1°C la température de 0,24 g d’eau.
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4.2. Expériences.
Soit un récipient contenant 0,24 g d’eau, 3 résistances chauffantes (R1 = 10W, R2 = 15W et
R3 = 30W), une alimentation permettant de régler l’intensité qu’elle peut débiter, un
thermomètre et un chronomètre.
1er Expérience.
On règle le débit de courant maximum du générateur à 1 A.
On alimente 3 résistances différentes pendant 2,5 minutes chacune pour chauffer l’eau.
Tableau de résultats :
Résistances
T e m p é r a t u r e Température Ecart de température
initiale de l’eau finale de l’eau
Valeur de R par
rapport à R1
R1 = 10 W
10 °C
13,6 °C
3,6 °C
1 x R1
R2 = 15 W
10 °C
15,4 °C
5,4 °C (1,5 x 3,6 °C)
1,5 x R1
R3 = 20 W
10 °C
17,2 °C
7,2 °C (2x 3,6 °C)
2 x R1
Conclusion :
Le dégagement de chaleur est proportionnel à la résistance.
2ème Expérience.
On alimente 3 fois pendant 2,5 minutes la même résistance d’une valeur de 10 W, et on règle
successivement le débit de courant maximum du générateur à 1, 2 puis 3A.
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Tableau de résultats :
Résistances
Intensités
R2 = 10 W
T e m p é r a t u r e Température Ecart de température
initiale de l’eau finale de l’eau
10 °C
13,6 °C
3,6 °C (3,6 x 12)
10 °C
24,4 °C
14,4 °C (3,6 x 22)
R3 = 10 W
10 °C
3A
R1 = 10 W
42,4 °C
32,4 °C (3,6 x 32)
1A
2A
Conclusion :
Le dégagement de chaleur est proportionnel au carré de l’intensité de courant
traversant la résistance.
3ème Expérience.
On alimente pendant 2,5 , 5 puis 7,5 minutes la même résistance d’une valeur de 10 W, et on
règle le débit de courant maximum du générateur à 1 A.
Tableau de résultats :
Résistances
R1 = 10 W
T e m p é r a t u r e Température Ecart de température
initiale de l’eau finale de l’eau
10 °C
13,6 °C
3,6 °C (3,6 x 1)
Temps
d’alimentation
2,5 min
R2 = 10 W
10 °C
17,2 °C
7,2 °C (3,6 x 2)
5 min
R3 = 10 W
10 °C
20,8 °C
10,8 °C (3,6 x 3)
7,5 min
Conclusion :
Le dégagement de chaleur est proportionnel au temps de passage du courant dans la
résistance.
Conclusion générale :
Le dégagement de chaleur est proportionnel :
·
·
·
à la valeur de la résistance ;
au carré de l’intensité du courant électrique ;
au temps de passage du courant dans la résistance.
On peut donc tirer l’équation suivante :
Notes :
1 Joule = 0,24 calories
1 calorie = 4,18 Joules
1KWh = 860 Kcal.