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Page 1 sur 5 Soutien IMRT1 2009-2010 I. Electricité : les bases en régime continu Description des circuits A Dipôle Borne A Borne B Un dipôle est un composant électrique comportant deux pôles ( ou deux bornes ) Des dipôles sont branchés en parallèle ( ou en dérivation ) quand ils ont mêmes bornes d’entrée et mêmes bornes de sortie Un nœud est un point auquel sont raccordés plus de deux fils Des dipôles sont branchés en série quand ils sont branchés les uns après les autres, sans nœud entre eux. Une branche est l’ensemble des dipôles branchés entre deux nœuds successifs Une boucle ( ou une maille ) est un ensemble de branches successives qui reviennent au point de départ Sur le schéma ci-contre : ab- cdefg- II. Nommez les différents dipôles Donnez-leur des bornes sur le schéma ( P pour le pôle + du générateur et N pour son pôle - , A,B,C etc…pour les autres ) Quels dipôles sont en série ? Quels dipôles sont en dérivation ? Nommez les nœuds du circuit Nommez les branches du circuit Nommez les boucles ( ou mailles ) partant du pôle + du générateur ALIMENTATION CONTINUE Interrup teur K 12 v Résistance 100 Résistance 33 Résistance 47 Tension électrique II.1. Tension La tension électrique UAB permet de mesurer la différence d’état électrique entre les points A et B. La tension UAB est également appelée différence de potentiel des points A et B : UAB = VA – VB : VA et VB sont les potentiels des points A et B. La tension est une grandeur algébrique : Si UAB > 0 alors VA > VB ( A est à un potentiel plus élevé que B ) ; si UAB < 0 alors VA < VB ( A est à un UAB potentiel moins élevé que B ) Conséquence : pour deux points A et B d’un circuit, A B Dipôle on a UAB = -UBA Fléchage d’une tension : sur un schéma, on représente une tension UAB par une flèche dont la pointe est en A (pointe de la flèche au premier point de la tension). Mesure d’une tension : on mesure une tension électrique UAB entre deux points A et B d’un Tension U à mesurer circuit grâce à un voltmètre branché en dérivation entre les deux points A et B. Elle se mesure en Volts (V). Voltmètre : la borne V est branchée au premier point de la tension, la borne COM au deuxième point Borne V v Borne COM P N Page 2 sur 5 Interrupteur K A B Résistance 33 C Application : Sur le schéma ci-contre , fléchez les tensions UPN , UPA , UAB , UBA , UBC , UCD et UDN. Dessinez les voltmètres nécessaires pour mesurer les tensions UPN , UPA , UBA et UCD D Résistance 47 II.2. Lois des tensions La tension aux bornes d’un fil est ……….. La tension aux bornes d’un interrupteur fermé est ………… ; la tension aux bornes d’un interrupteur ouvert est égale à celle …………………………… Les tensions aux bornes de deux dipôles branchés en parallèle sont ……………… Loi d’additivité des tensions : Quel que soit le circuit étudié, on peut décomposer une tension en fonction d’autres tensions en passant par différents points ( par exemple : UAB = UAC + UCD + UDE + UEF + UFB ) III. Intensité d’un courant électrique III.1. Intensité Un courant électrique est un déplacement d’ensemble de charges électriques dans un conducteur électrique ( voir l’animation « courant électrique ») Sens conventionnel du courant : le courant électrique est celui des porteurs de charge positifs . Hors du générateur, le courant conventionnel circule donc de la borne ……. du générateur vers sa borne ………………… ( remarque : dans un métal, les porteurs de charge sont les électrons libres du métal . Hors du générateur, ces électrons libres circulent de la borne ……. du générateur vers sa borne …………. Par conséquent, le sens conventionnel du courant et le sens de déplacement des électrons sont ………………... L’intensité I d’un courant électrique permet de connaître le débit de charges qui passent q en un point du circuit du fait de ce courant I t ( q est la charge totale ( unité : Coulomb ( C) ) qui est passée au point pendant la durée t ( unité : s ) ; l’unité de l’intensité est l’Ampère ( A ) ( 1 A = 1 C.s-1 ) Application : quand on actionne le démarreur d’une voiture, on ferme un interrupteur et on réalise alors un circuit série fermé comprenant : la batterie d’accumulateurs ( c’est un générateur de tension continue de valeur 12 Volts ; c’est donc le réservoir de charges ) l’interrupteur le démarreur de la voiture ( vous le représenterez comme un dipôle ). Le courant électrique qui circule alors a une intensité I égale à 100 A ( c’est une très grande valeur d’intensité ) 1. Dessiner le circuit électrique réalisé quand on actionne le démarreur 2. Représenter sur ce circuit le sens de circulation des porteurs de charge ( les conducteurs sont des métaux ) et le sens conventionnel du circuit 3. Etablir la relation littérale qui permet de calculer l’intensité I du courant électrique à partir du nombre N de porteurs de charge, de la charge électrique élémentaire e ( e 1,6.1019 C ) et de la durée t de circulation du courant . Préciser les unités utilisées. Page 3 sur 5 4. Calculer la charge électrique q qui a été débitée par la batterie si on actionne le démarreur pendant 3,5 secondes 5. En déduire le nombre d’électrons qui ont traversé le démarreur pendant cette durée de 3,5 secondes ( vous présenterez le résultat final avec 3 chiffres significatifs ) Fléchage d’une intensité : sur un schéma, on représente une intensité I par une flèche sur le circuit dans le sens conventionnel du courant. Mesure : on mesure l’intensité I d’un courant électrique en un point M d’un circuit grâce à un ampèremètre intercalé en ce point M. Ampèremètre : l’intensité du courant à mesurer entre par la borne « mA » (ou A) et sort par la borne « com ». I Borne A A III.2. Lois des intensités ( à compléter ) L’intensité du courant dans un circuit en série est la même en tout point du circuit L’intensité du courant dans une branche est ……………….. en tout point ( car les dipôles sont branchés en …………………… ) . Loi des nœuds : La somme des intensités des courants arrivant à un nœud est égale à la somme des intensités des courants repartant de ce nœud Borne COM on étudie théoriquement le circuit suivant : on mesure les tensions UPN =9,0 V, UBC = 3,4 V, UAE = 5,8 V . P N 6. Quels sont les nœuds du circuit ? 7. Quelles sont les branches du circuit ? 8. Flécher et déterminer les tensions UCD et UEN. ( justifier ) Dipôle3 Lampe 9. Flécher l’intensité du courant dans chaque branche et placer les E ampèremètres nécessaires pour A Dipôle 2 mesurer chacune de ces intensités. Dipôle 1 10. Le générateur délivre un courant B D C d’intensité 75,0 mA ; le dipôle 2 est parcouru par un courant d’intensité 47,0 mA. Déterminer les intensités des courants qui traversent chaque dipôle du circuit ( justifier ). IV. Caractéristiques des dipôles IV.1. Définition La caractéristique d’un dipôle est la courbe reliant les variations de la tension UAB à ses bornes en fonction de l’intensité du courant I qui le traverse ( il faut alors préciser les conventions d’orientation de la tension et du courant ) . IV.2. Voir le TP : caractéristique d’une diode à vide Limites des dipôles Les dipôles ne peuvent supporter sans dommage n’importe quelles valeurs de courant, de tension ou de puissance ( voir ensuite le rappel sur les puissances ) Il ne faut donc pas dépasser les valeurs nominales indiquées par le constructeur ( puissance, intensité ou tension ) pour chaque dipôle Rq : on peut tolérer un dépassement des valeurs nominales ( 1,5 x valeur nominale ) pas trop longtemps. Page 4 sur 5 IV.3. Cas particulier du conducteur ohmique La caractéristique d’un conducteur ohmique est une droite passant par l’origine : c’est donc un dipôle passif linéaire et symétrique. On en déduit la relation simple : UAB = R. I qui est la loi d’Ohm. Conditions d’application de cette loi : A I B R UAB on définit aussi G 1 R Le courant rentre dans le dipôle par la borne A (c’est la convention récepteur ) R est la résistance du conducteur ohmique ( Unité de R : Ohms ( ) si UAB est en Volts et I en A ) la conductance du conducteur ohmique ( Unité de G : -1 ou Siemens ( S ) si UAB est en Volts et I en A ) V. Energie et puissance électriques V.1. Un dipôle récepteur transforme l’énergie électrique qu’il reçoit… Un dipôle récepteur parcouru par un courant électrique absorbe de l’énergie électrique qu’il transforme en différentes formes d’énergie ( énergies mécanique, chimique, calorifique, lumineuse...) 11. D’où provient l’énergie électrique absorbée par un râpe-carottes électrique ? En quelle(s) forme(s) d’énergie(s) est-elle transformée ? 12. Mêmes question pour un baladeur MP3, puis pour une lampe, puis un accumulateur en charge Tous les dipôles électriques parcourus par un courant transforment une partie de l’énergie électrique qu’ils reçoivent en énergie calorifique ( appelée aussi chaleur ) : ce dégagement de chaleur se nomme l’effet Joule. 13. Comment peut-on s’en rendre compte ? En quoi ce phénomène peut-il être gênant ? Loi de Joule : les conducteurs ohmiques transforment toute l’énergie électrique qu’ils reçoivent en énergie calorifique. 14. Dans quels cas ce phénomène peut-il être intéressant ? Citez des exemples dans la maison. V.2. Un dipôle générateur transforme l’énergie qu’il reçoit… Un dipôle générateur transforme l’énergie qu’il reçoit sous différentes formes en énergie électrique ( énergie utilisable ) et en d’autres formes d’énergie ( énergies non utilisables ) 15. Donnez des exemples de générateurs en précisant les différentes formes d’énergie transformées ou produites V.3. Energie et puissance Plutôt que de caractériser les dipôles électriques ( générateurs ou récepteurs ) par l’énergie électrique qu’ils reçoivent, on préfère souvent définir la puissance électrique qu’ils reçoivent . Définition de la puissance : la puissance est égale à l’énergie consommée par seconde. On peut E donc donner la relation suivante : P P est la puissance ( Unité : le Watt – symbole : W ) t E est l’énergie ( Unité : le Joule – symbole : J ) t est la durée pendant laquelle l’énergie E a été consommée ( unité : la seconde – symbole : s ) Page 5 sur 5 16. Une lampe de puissance 60 W est utilisée pendant 35 minutes . Quelle énergie a-t-elle consommé ? 17. Vous laissez fonctionner les voyants lumineux de votre téléviseur, de votre console de jeux et de votre magnétoscope pendant 24 heures . Chaque voyant consomme une puissance de 0,5 W . Calculez l’énergie totale consommée. 18. Concluez en comparant ces deux calculs. V.4. Puissance électrique absorbée par un dipôle récepteur La puissance électrique consommée par un dipôle électrique récepteur est donnée par la relation P = U.I ( U étant la tension aux bornes du dipôle et I l’intensité du courant qui le traverse ; ces deux grandeurs sont fléchées avec la convention récepteur ) 19. Rappeler par un schéma cette convention de flèchage 20. Calculer la puissance électrique par un moteur électrique alimenté sous une tension de 6,0 V et parcouru par un courant d’intensité 1,2 A. V.4.a. Limites d’utilisation d’un conducteur Pour éviter de détériorer des dipôles à cause de l’effet Joule, on doit donc connaître les valeurs maximales d’intensité ou de puissance que peut supporter ce dipôle. 21. Relever sur le culot d’une ampoule les valeurs de tension et d’intensité recommandées par le constructeur. Quelle puissance supporte-elle alors ? V.4.b. Limites d’utilisation d’un conducteur ohmique 22. Relever l’intensité maximale supportée par les résistances bobinées utilisées en TP . Calculer alors la tension à leurs bornes . En déduire la puissance qu’elle absorbent. 23. Selon leur taille, les résistances au carbone aggloméré utilisées en TP peuvent dissiper une puissance maximale de 1/8 Watt, 1/4 Watt 1/2 Watt ou 1 Watt. Pour la résistance fournie par le professeur, déterminez les valeurs maximales de tension et d’intensité qu’elle supporte ( vous utiliserez la loi d’Ohm et la définition de la puissance électrique absorbée par un dipôle ). V.5. Puissance électrique fournie par un dipôle générateur La puissance électrique fournie par un dipôle générateur est donnée par la relation P = U.I ( U étant la tension aux bornes du dipôle et I l’intensité du courant qui le traverse ; ces deux grandeurs sont fléchées avec la convention générateur ) La batterie au Lithium d’un caméscope subit une charge complète qui dure 185 minutes. La tension entre ses bornes est U = 8,30 V et l’intensité qui la parcourt I = 1,21 A. 24. 25. 26. Batterie Chargeur Schéma 1 Fléchez U et I sur le schéma1 (justifier les orientations choisies ) Calculer l’énergie électrique reçue par la batterie On filme avec le caméscope muni de sa batterie chargée jusqu’à sa décharge complète pendant 21 Batterie minutes. Caméscope La tension entre ses bornes est alors U = 6,80 V et l’intensité qui Schéma 2 la parcourt I = 6,30 A. 27. Flécher U et I sur le schéma 2 (justifier les orientations choisies ) 28. Calculer l’énergie électrique fournie par la batterie 29. Calculer le rendement énergétique de la « charge-décharge » de la batterie.
