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 = UABIt 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 = UPNIt 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 = RI2t = 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