BTS 1 MV/MS PHYSIQUE-CHIMIE CIRCUITS ELECTRIQUES S4.1 Energie- énergie électrique • Circuit électrique en régime continu et en régime sinusoïdal Objectifs : • Calculer et mesurer les différentes grandeurs électriques dans un circuit limité à deux mailles : intensités-tensions-puissances. Aux débuts de l’utilisation de l’électricité (XIXème siècle, il y a environ 200 ans !), son transport était effectué avec une tension continue (pas de fréquence). L’utilisation de telles tensions présentait cependant des inconvénients. Aujourd’hui, on utilise aussi des tensions alternatives. L’objectif de ce cours est d’approcher l’origine physique de l’électricité et d’apprendre à exploiter ses différentes caractéristiques dans les circuits. Moteur électrique industriel I. Circuits électriques • • • • On appelle dipôle tout dispositif électrique entre deux bornes. Un nœud est une connexion électrique reliant au moins trois fils. Une branche est une portion de circuit comprise entre de nœuds consécutifs. Une maille correspond à l’association de deux branches successives et formant un circuit fermé. Application 1 : Déterminer dans le circuit suivant les dipôles, nœuds, branches et mailles. 1 S.BAILLY BTS 1 MV/MS PHYSIQUE-CHIMIE Lorsque deux dipôles sont sur la même branche, on parle d’association en série. En revanche, si les dipôles sont compris entre deux nœuds identiques mais ne sont pas sur la même branche, on parle d’association en parallèle. Application 2 : Sur le circuit de l’application 1, nommer chacun des dipôles et identifier ceux qui sont associés en série et ceux associés en parallèle. II. • Les dipôles : …………………………………………………………………………………………………………………………………… • Série : ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… • Parallèle : ……………………………………………………………………………………………………………………………………….. Intensité du courant électrique a) Origine et mesure de l’intensité du courant électrique Définition : Courant électrique Un courant électrique résulte du déplacement de porteurs de charges électriques. Dans les métaux et les alliages, ce sont les électrons qui se déplacent. Dans les liquides et les gaz, ce sont les ions (atome ou ensemble d’atomes ayant perdu/gagné un ou plusieurs électrons) qui se déplacent . Propriété 1 : Sens du courant électrique dans un conducteur Les charges se déplaçant dans un conducteur électrique sont les électrons (chargés négativement). Par convention, on considérera que le courant électrique se déplace dans le sens opposé aux électrons. 2 S.BAILLY BTS 1 MV/MS PHYSIQUE-CHIMIE Définition : Intensité du courant électrique L’intensité d’un courant, notée i ou I et exprimée en ampères (A), correspond à la quantité de charges électriques Q traversant une section droite S du conducteur pendant un temps t. L’intensité du courant s’exprime comme : avec (Q) le nombre de charges (ou quantité d’électricité) en coulombs (C) et (t) la durée en secondes (s). L’intensité du courant électrique peut être vue comme un débit de charges : on compte le nombre de charge traversant S chaque seconde comme on compterait le nombre de molécules d’eau traversant un tuyau de surface S chaque seconde. Atelier : On mesure l’intensité du courant électrique à l’aide d’un ampèremètre. Ce dernier doit être branché en série afin de mesurer le nombre d’électrons passant dans une branche chaque seconde. 3 S.BAILLY BTS 1 MV/MS PHYSIQUE-CHIMIE Application 3 : Calculer la quantité d’électricité stockée dans une batterie Q parcourue par un courant de 2 A pendant 30 minutes en Coulomb puis en Ah (Ampère-heure). ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………..…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. b) Loi sur l’intensité du courant électrique Propriété 2 : Loi des nœuds La somme des intensités des courants arrivant à un nœud est égale à la somme des intensités des courants sortant de ce nœud. ✓ Exemple : La loi des nœuds nous permet d’écrire que : 4 S.BAILLY BTS 1 MV/MS PHYSIQUE-CHIMIE Application 4 : Un circuit électrique comporte un moteur, une résistance et deux lampes. La résistance est traversée par un courant I1 de 0.12 A, le moteur par un courant I0 de 0.2 A. Q1) Sur le circuit précédent, identifier les nœuds et les branches. Q2) Flécher les intensités I0, I1 et I2 (à travers L2). Q3) Calculer l’intensité à travers L1 et L2. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………..…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. …………………………..………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….……… III. Tension électrique a) Origine et mesure de la tension électrique Pour comprendre l’origine de la mise en mouvement les charges électriques, il faut utiliser la notion de potentiel. Définition : Potentiel électrique Le potentiel électrique, noté V et exprimé en volt (V), est la grandeur définissant l’état électrique en un point du circuit. De manière imagée, on peut voir le potentiel comme étant relié au concentration de charges à un endroit donné du circuit. 5 S.BAILLY BTS 1 MV/MS PHYSIQUE-CHIMIE Définition : Tension électrique La tension électrique, notée U et exprimée en volts (V), représente la différence de potentiel électrique entre deux points du circuit. Toujours de manière imagée, une tension apparaît lorsque d’un côté du circuit le potentiel est grand et de l’autre faible. Dans le cas d’une pile, cette différence de potentiel est à l’origine de la mise en mouvement des charges : on parle alors de force électromotrice. On représente la tension aux bornes d’un dipôle de la manière suivante : Atelier : On mesure la tension électrique à l’aide d’un voltmètre. Cette dernière doit être branché en dérivation afin de mesurer le potentiel en deux points différents du circuit. b) Lois sur la tension électrique Propriété 3 : Loi d’additivité des tensions La tension aux bornes d’un ensemble de récepteurs branchés en série correspond à la somme des tensions de chacun d’entre eux. Propriété 4 : Loi des mailles La somme algébrique des tensions le long d’une maille est nulle. 6 S.BAILLY BTS 1 MV/MS PHYSIQUE-CHIMIE Méthode : Appliquer la loi des mailles • Choisir une maille d’un circuit et lui attribuer un sens de parcours arbitraire. • En parcourant la maille, faire la somme des tensions en affectant le signe ”+” si la flèche de la tension est dans le même sens que le sens de parcours et le signe ”-” si la flèche de la tension est dans le sens opposé au parcours. • Une fois la maille entièrement parcourue, écrire que la somme est égale à zéro. ✓ Exemple : Dans la maille ABCDEA, la loi des mailles est : 7 S.BAILLY BTS 1 MV/MS PHYSIQUE-CHIMIE Application 5 : Dans la portion de montage ci-contre, on mesure : U1 = 20 V, U2 = -5 V et U3 = 5 V. Quelle est la valeur de la tension U4 ? c) Différentes formes de tensions Vous serez amenés à rencontrer deux formes de tensions différentes : continue et périodique. Le choix d’une telle tension s’effectue en fonction du type de dipôle récepteur que l’on souhaite alimenter. ➢ Régime continu : Dans ce régime, les grandeurs électriques (tensions et courants) sont constantes au cours du temps : 8 S.BAILLY BTS 1 MV/MS PHYSIQUE-CHIMIE Atelier : Ces grandeurs sont symbolisées avec des lettres majuscules U et I. Pour les mesurer, on utilise un voltmètre et un ampèremètre en mode DC. ➢ Régime périodique : Dans ce régime, les grandeurs électriques (tensions et courants) se répètent de manière identique à intervalles de temps réguliers. Comme les grandeurs varient au cours du temps, ces dernières sont symbolisées par des lettres minuscules u(t) et i(t). On parle ici de grandeurs instantanées. Deux cas particuliers sont à connaître en régime périodique : Définition : Régime alternatif En régime alternatif, les grandeurs électriques (tensions et courants) ont une valeur moyenne nulle. Définition : Régime sinusoïdal En régime sinusoïdal, les grandeurs électriques (tensions et courants) prennent la forme d’une sinusoïde. 9 S.BAILLY BTS 1 MV/MS PHYSIQUE-CHIMIE ✓ Exemple : Pour chacun des cas présentés ci-après, justifier le choix des qualificatifs : périodique, sinusoïdal, alternatif. On peut alors relever différentes caractéristiques en régimes sinusoïdal alternatif : Définition : Période et fréquence Un signal périodique est un signal se répétant identique à lui-même à intervalle de temps régulier. On appelle cet intervalle de temps ”période”, noté T. La fréquence correspond au nombre de fois qu’un phénomène périodique se répète par seconde : Définition : Valeur maximal et valeur efficace La valeur maximale d’un signal sinusoïdal alternatif est mesurée par rapport au zéro. On peut alors en déduire la valeur efficace : 10 S.BAILLY BTS 1 MV/MS PHYSIQUE-CHIMIE ✓ Exemple : Soit la tension sinusoïdale alternative : Sur l’axe des abscisses, on étudie le temps. La période T vaut ici 0.02 s et sa fréquence vaut donc : f = 1/0.02 = 50 Hz. Cela signifie que le phénomène périodique se répète identique à lui-même 50 fois par seconde. Sur l’axe des ordonnées, on étudie la tension. Sa valeur maximale vaut ici Umax = 12 V et on en déduit sa valeur maximale : Ueff = 12 p2 ' 8.5 V.ll Atelier : Pour une tension alternative, on peut mesurer sa valeur efficace à l’aide d’un voltmètre en mode AC. Plus généralement, pour observer des tensions sinusoïdales, on utilisera un oscilloscope qui permet d’étudier l’évolution temporelle de la tension. 11 S.BAILLY BTS 1 MV/MS PHYSIQUE-CHIMIE Application 6 : Soit la représentation temporelle de la tension suivante obtenue sur l’écran d’un oscilloscope : 10mS/div 1V/div : Pour chacune des tensions alternatives, déterminer le plus précisément possible la période, la fréquence, la valeur maximale et la valeur efficace. …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………..…………………………………………….…………………………………… ……………………………………………………………………………….…………………………..……………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 12 S.BAILLY BTS 1 MV/MS IV. PHYSIQUE-CHIMIE Puissance et énergie électrique a) Puissance en régime continu Définition : Puissance électrique La puissance, exprimée en watts (W), représente la quantité d’énergie électrique produite ou consommée par un composant électrique. Atelier : On mesure la puissance consommée par un récepteur ou produite par un générateur à l’aide d’un wattmètre. Propriété 5 : Expression de la puissance électrique en régime continu La puissance en régime continu est donnée par la relation : P=UXI La puissance fournie par le générateur de tension est toujours égale à la somme des puissances consommées par les récepteurs. b) Puissance en régime sinusoïdal Afin d’étudier la puissance en régime sinusoïdal, il nous faudra utiliser la notion de valeur instantanée : dans le cas de la puissance, c’est la valeur que prend la puissance à chaque instant t. On la note alors p(t) : Propriété 6 : Expression de la puissance électrique instantanée en régime sinusoïdal La puissance instantanée en régime alternatif est donnée par la relation : p(t) = u(t) x i(t) Pour estimer la puissance réellement disponible pour réaliser un travail, on utilise la notion de puissance active. 13 S.BAILLY BTS 1 MV/MS PHYSIQUE-CHIMIE Définition : Puissance active La puissance active notée P est la valeur moyenne de la puissance instantanée. Elle s’exprime en watts (W). ✓ Exemple : La valeur de puissance active diminue lorsque certains appareils ne consomment pas efficacement l’énergie électrique. Pour cela, on s’intéresse à la puissance apparente : Définition : Puissance apparente La puissance apparente notée S est le produite le la valeur efficace de la tension Ueff et de l’intensité Ieff : S = Ueff x Ieff C’est la valeur maximale que peut prendre la puissance active. Elle est souvent exprimée en “volt-ampère” (VA). La puissance apparente est une notion clé sur le marché de l’énergie. Elle est utilisée par les fournisseurs d’électricité pour déterminer, dimensionner et protéger les installations électriques. Pour faire le lien entre ces différentes puissances, on utilise le facteur de puissance. Cette grandeur rend compte de l’efficacité d’un récepteur à consommer la puissance. 14 S.BAILLY BTS 1 MV/MS PHYSIQUE-CHIMIE Définition : Facteur de puissance Le facteur de puissance, noté k, est le rapport entre la puissance active P et la puissance apparente S d’un récepteur : k = P/S avec : P en W et S en VA. Application 7 : À la base d’une ampoule, on peut lire les informations ci-contre : Q1 Identifier la puissance active. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………..………………………………………………………………………………….…………………………………… ………………………………………….…………………………..…………………………………………………………………………………………………………….. Q2 Calculer sa puissance apparente S. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………….…………………………..………………………………………………………………………….…………………………………. Q3 En déduire le facteur de puissance de cette ampoule. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………….…………………………..………………………………………………………………….…………………………………………. Application 8 : La plaque d’une bouilloire électrique indique : 230 V / 1150 W. Q1 La tension indiquée correspond-t-elle à une valeur instantanée ? efficace ? maximale ? ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………..…………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………….…………………………..…………………………………………………………………………………………………………………….. Q2 Calculer l’intensité du courant qui traverse la résistance quand elle est branchée sur une prise de courant 16 A. ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………..…………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………….…………………………..…………………………………………………………………………………………………………………….. 15 S.BAILLY BTS 1 MV/MS PHYSIQUE-CHIMIE Q3 On branche simultanément un ordinateur de 460 W sur la prise de courant. Calculer la puissance fournie par la prise de courant. Y’a-t-il un risque de surchauffe de la prise ? ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………..…………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………….…………………………..…………………………………………………………………………………………………………………….. V. Principaux composants électriques Un circuit électrique est un assemblage de composants et conducteurs électriques dont les trois principaux sont les conducteurs résistifs, capacitifs et inductifs. a) Le conducteur ohmique (résistance) Le conducteur ohmique est représenté de la manière suivante : Les conducteurs ohmiques sont principalement utilisés pour leur caractéristique appelée résistance R. Définition : Résistance La résistance est une propriété des conducteurs caractérisant leur aptitude à s’opposer au passage du courant. Elle s’exprime en ohms. Propriété 7 : Loi d’Ohm U=RxI avec U la tension en volts (V), I l’intensité du courant en ampères (A) et R la résistance en ohms. 16 S.BAILLY BTS 1 MV/MS PHYSIQUE-CHIMIE On peut utiliser les conducteurs ohmiques pour : — Limiter l’intensité du courant dans une branche d’un circuit ; — Chauffer par effet Joule (une résistance parcourue par un courant chauffe). Cet effet est recherché dans les appareils destinés au chauffage mais il diminue le rendement des appareils non destinés à chauffer. b) Le conducteur capacitif (condensateur) Le condensateur est constitué de deux armatures séparées par un isolant (diélectrique). Il est représenté de la manière suivante : Ce dipôle est caractérisé par sa capacité C. Définition : Capacité La capacité représente la quantité de charges électriques portées par un composant électrique. Elle s’exprime en farad (F). On peut utiliser les condensateurs pour : — Stocker l’énergie sous forme électrostatique : E = ½ x C x U2 ; — Lisser des tensions ; — Filtrer des signaux (par exemple pour la sélection bande FM). c) Le conducteur inductifs (bobine) La bobine est constituée d’un conducteur enroulé un grand nombre de fois éventuellement autour d’un noyau de fer. Il est représenté de la manière suivante : Ce dipôle est caractérisé par son inductance L. 17 S.BAILLY BTS 1 MV/MS PHYSIQUE-CHIMIE Définition : Inductance L’inductance traduit le fait qu’un courant traversant un conducteur puisse générer un champ magnétique. Elle s’exprime en henry (H). On peut utiliser les bobines pour : Stocker l’énergie sous forme électromagnétique : E = ½ x L x I2 — Lisser des courants ; — Emettre et recevoir des ondes électromagnétiques ; — Fabriquer des transformateurs. — Les trois composants présentés précédemment sont appelés composants passifs. On l’oppose à un dipôle actif (par exemple une pile, un accumulateur, une dynamo…) qui est un dipôle caractérisé par sa force électromotrice notée E (exprimée en volt). Elle correspond à la tension à vide (sans que l’on branche quelque chose dessus quand I = 0 A) aux bornes du dipôle. V. Synthèse Réaliser une carte mentale sur l’application MIMIND faisant la synthèse des lois élémentaires de l’électricité utilisées lors de ces exercices d’applications. miMind - CryptoBees 18 S.BAILLY
