10 Générateurs et

Chap 10  : GENERATEURS ET RECEPTEURS 1ère S
I] Transfert d'énergie au niveau d'un récepteur.
1) Les récepteurs électriques.
Les dispositifs qui reçoivent de l'énergie électrique et la restituent sous d'autres formes (énergie mécanique, chaleur, …) sont
des récepteurs.
2) Intensité du courant électrique.
Les électrons circulent dans les métaux. Les ions circulent dans électrolytes.
L'intensité qui circule dans un conducteur est la charge qui traverse par unité de temps une section de ce conducteur.
I = q / t. I en ampère (A), q en coulomb (C), t en seconde (s).
Le sens conventionnel du courant est celui du déplacement des charges positives.
3) Notion de potentiel électrique.
Dans une portion de circuit AB, parcouru par I de A vers B durant t, le travail des forces électriques qui agissent sur les porteurs de
charges s'écrit : We = I t (VA – VB). VA et VB désignent les potentiels électriques au point A et B.
La différence de potentiel VA – VB représente la tension UAB entre les points A et B, mesurable au voltmètre.
4) Energie et puissance électriques reçues par un récepteur.
La puissance électrique reçue sous forme de travail, par le récepteur a pour expression : Pe = UAB . I (W), (V), (A).
L'énergie électrique reçue par le récepteur pendant l'intervalle de temps t vaut : We = UAB . I . t (J), (s).
II] Quelques récepteurs.
On appelle caractéristique d'un dipôle, la représentation graphique de la relation qui lie UAB et I.
1) Conducteurs ohmiques ou résistors.
UAB = R.I Avec UAB en V, I en A. R en . Son inverse G est appelée conductance et s'exprime en siemens (S). G = 1/R.
Un conducteur ohmique est un dipôle passif (caractéristique passant par O) et symétrique (pas de modif si on permute les bornes).
Effet Joule : La puissance électrique reçue par un conducteur ohmique a pour expression P = R  I² = U²AB / R. P en W, R en , I en
A, UAB en V. Toute l'énergie électrique est dissipée sous forme thermique et de rayonnement.
 Résistance d'un conducteur ohmique : dépend du matériau et de sa section. R = / S. R en ,  en m, S en m²,  en .m.
Exemple :  cuivre = 1,7.10-8 .m,  carbone = 3,5.10-5 .m,  polyéthylène = 108 .m.
2) Electrolyseur contenant une solution NaOH à 1 mol.L-1.
 Pour une tension < à U0, pas de dégagement gazeux perceptible. L'intensité reste pratiquement nulle. L'électrolyse n'a pas lieu.
 Pour U > U0, du H2 se dégage à la cathode, du O2 à l'anode. L'intensité du courant  quand UAB .
Lorsque l'électrolyseur fonctionne, sa caractéristique peut être modélisée par une droite d'équation : UAB = E' + r.I.
E' est la force contre-électromotrice de l'électrolyseur exprimée en volt (V) et r sa résistance interne en ohm .
Ainsi modélisé, cet électrolyseur est un dipôle linéaire (sa caractéristique est une portion de droite).
 Bilan énergétique : de l'énergie électrique est transformée en énergie  (obtention d'O2 et H2).
q = I t
récepteur
A
B
UAB
UAB
I

La puissance électrique reçue par l'électrolyseur est égale à : Pe = UAB.I = rI² + E'I.
Pj = rI² est la puissance dissipée par effet Joule.
Pu = E'I est la puissance électrique transformée en puissance utile, c'est à dire .
Le rendement de l'électrolyseur vaut le quotient de la puissance utile sur la puissance reçue :
 = E'I / UABI = E' / UAB
3) Moteur électrique.
Un moteur électrique reçoit de l'énergie électrique et la restitue surtout sous la forme d'énergie mécanique.
Comme pour un électrolyseur, UAB = E' + r.I.
La puissance électrique reçue par le moteur s'écrit Pe = UAB.I = rI² + E'I.
Pj = rI² est la puissance dissipée par effet Joule.
E'I est la somme de la puissance mécanique utile Pm et d'une puissance Pp perdue autrement que par effet joule (frottements,
phénomènes électromagnétiques). Le rendement vaut la puissance utile sur la puissance reçue :  = Pm / Pe.
III] Energie fournie par un générateur.
Le générateur qui entretient le mouvement ordonné des porteurs de charges, doit transférer au reste du circuit l'énergie
électrique : We = I t (VP – VN) = UPN I t. La puissance électrique transférée a pour expression : Pe = UPN I.
IV] Quelques générateurs.
1) Sources idéales de tension.
Par définition, une telle source maintient entre ses bornes une valeur : UPN = E , ce  I. E est appelée force électromotrice.
Une alimentation stabilisée se comporte comme une source idéale de tension lorsque I n'est pas trop élevée.
caractéristique source idéale, alimentation stabilisée
caractéristique d'une pile
schéma équivalent d'un générateur linéaire
2) Piles et batteries.
Lorsque la valeur de I débité par la pile n'est pas trop importante, sa caractéristique peut être modélisée par une droite ne
passant pas par l'origine. La pile est un générateur linéaire. Son fonctionnement obéit à l'équation : UPN = E – r.I
E est la force électromotrice de la pile en volt (V), r sa résistance interne en ohm ().
 Bilan énergétique : une pile ou une batterie qui débite I fournit au circuit une puissance électrique : Pe = UPN I et transfère à son
environnement sous forme d'énergie thermique une puissance : Pj = r.I² (effet Joule).
Ces puissances résultent de la conversion de la puissance  Pc stockée par la pile. Pc = Pe + Pj = UPN I + rI² = I (UPN + rI) = EI
Le rendement d'un générateur électrochimique est :  = Pe / Pc = UPN / E.
3) Générateurs électromécaniques.
Cf : génératrice de bicyclette. Les pertes ne se limitent pas à l'effet Joule. UPN = E – r.I
4) Schéma électrique équivalent d'un générateur linéaire.
Un générateur linéaire correspond à l'association en série d'une source idéale de tension de f.e.m E et d'un conducteur ohmique r. *
V] L'effet Joule.
1) L'effet Joule peut être bénéfique.
Radiateurs électriques, résistances chauffantes de nombreux appareils électroménagers (grille-pain, machines à laver le linge ou la
vaisselle), lampe à incandescence (70  de l'énergie électrique transformée en énergie rayonnante – pas toute visible hélas), fusibles.
2) L'effet Joule peut être indésirable.
Générateurs : l'énergie perdue diminue leur rendement.
Composants électroniques, microprocesseurs. Utilisation de ventilateurs et dissipateurs thermiques pour limiter la chauffe.
P
N
UPN > 0
*