RECEPTEURS ET GENERATEURS

COURS
I RECEPTEURS
ET GENERATEURS
I –RAPPELS SUR LES LOIS DES TENSIONS ET DES INTENSITES
Voir poly
II – TRANSFERT D’ENERGIE AU NIVEAU D’UN RECEPTEUR
Introduction :
-
M
-
G
-
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.
1- Définition d’un récepteur
Un récepteur est un dipôle qui reçoit de l’énergie électrique de la part du circuit et la restitue sous
d’autres formes.
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 UAB :
I
A
B
dipôle
-
Si le dipôle est un récepteur alors la
tension UAB est positive.
UAB
2- Caractéristique Intensité-tension de quelques récepteurs
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.
a) Conducteur ohmique
U (V)
I
Proportionnalité entre U et I :
U
I (A)
U = RI
(loi d’ohm)
en V ; I en A et R est la résistance du conducteur ohmique en ohms
().
Remarque : 1/R = G (conductance en S)
b) Electrolyseur
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 :
U = E’ + r’ I
U (V)
E’
I (A)
U en V ; I en A
r’ est la résistance interne en ohms ().
E’ est la force contre électromotrice (fcem) en V. (tension quand le
moteur n’est traversé par aucun courant)
c) Moteur électrique
Comme pour un électrolyseur on peut écrire U = E’ + r’ I mais E’ dépend du point de fonctionnement
c’est à dire des valeurs de U et de I.
3 – 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
A dipôle
B
Pe s’exprime en Watt (W).
UAB
L’énergie We reçue par ce récepteur pendant un intervalle de temps t est :
We s’exprime en Joule (J).
We = UABIt
4 – Bilan énergétique de quelques récepteurs
a) Conducteur ohmique
U = RI
Puissance électrique reçue : Pe = UI = RI2 ou Pe =
Energie reçue : We = RI2t =
U2
t
R
U2
R
En régime permanent un conducteur ohmique dissipe sous forme d’énergie thermique et d’énergie
rayonnante toute l’énergie électrique qu’il reçoit ; cette conversion est appelée « Effet Joule »
b) Electrolyseur en régime linéaire
Puissance électrique reçue : Pe = UI = E’ I + r’ I2
Energie reçue : We = (E’ I + r’ I2)t
r’ I2 est la puissance dissipée par effet Joule
E’ I est la puissance électrique transformée en puissance chimique ; c’est la puissance dite « utile »
U = E’ + r’ I
Le rendement de l’électrolyseur est défini par  = Putile / Preçue = E’ I/UI = E’/U
c) Moteur électrique en régime linéaire
Puissance électrique reçue : Pe = UI = E’ I + r’ I2
Energie reçue : We = (E’ I + r’ I2)t
2
r’ I est la puissance dissipée par effet Joule
E’ I est la somme de la puissance mécanique utile Pm et d’une puissance Pp perdue à cause des
frottements ou de phénomènes électromagnétiques.
U = E’ + r’ I
Le rendement du moteur est défini par  = Putile / Preçue = Pm/Pe
III – TRANSFERT D’ENERGIE AU NIVEAU D’UN GENERATEUR
1- Définition du générateur
Le générateur est le dipôle qui fournit l’énergie électrique au reste du circuit.
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
positive.
I
N
P
G
UPN
2- Caractéristique Intensité-tension de quelques générateurs
a) générateur idéal de tension (cas des “alimentations stabilisées” pour I<Imax)
U (V)
I
N E P
U est indépendant de I :
U=E
E est la force électromotrice (fem) du générateur (en V).
E
UPN
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.
E
I N
r
P
N I
P
G
E, r
3 – Bilan énergétique d’un générateur
N
E,r
P
U
Reste du circuit
(récepteurs)
Un générateur fournit au circuit :
- une puissance électrique Pe = UPNI = EI – rI2 ;
- une énergie électrique pendant la durée t du transfert : We = UPNIt =
EIt – rI2 t
Transfert d’énergie :
Ce générateur transforme une puissance chimique ou mécanique Pc = EI en :
- puissance électrique disponible UPNI
- chaleur (perte par effet joule) rI2.
(UPNI + rI2 = (E – rI)I + rI2 = EI - rI2 + rI2 = EI)
Le rendement du générateur est défini par  = Pe/ Pc = UPNI /EI = UPN/E
IV – L’EFFET JOULE
Les générateurs et les récepteurs usuels possèdent une résistance. Ils dissipent une partie au moins
de l’énergie qu’ils reçoivent en énergie thermique et éventuellement en énergie rayonnante.
1 – L’effet Joule peut être bénéfique
C’est le cas pour les radiateurs électriques, pour de nombreux appareils ménagers ainsi que pour
l’éclairage par lampe à incandescence.
Les installations domestiques et de nombreux appareils électriques sont protégés par des fusibles. Ils
sont calibrés pour fondre lorsque l’intensité du courant qui les traverse dépasse une certaine valeur.
2 – L’effet Joule peut être indésirable
L’énergie perdue par effet Joule diminue le rendement des générateurs et de nombreux récepteurs.
Elle impose souvent la mise en place d’aération et de dissipateurs thermiques.
RAPPELS SUR LES LOIS DES INTENSITES ET TENSIONS
I – CIRCUITS
- Un circuit électrique est constitué d’un ensemble d’éléments connectés entre eux par leurs bornes.
- Un nœud est un point de connexion d’au moins trois dipôles.
- Un dipôle est connecté au circuit par deux bornes.
Circuit série (les dipôles sont connectés bout à bout) :
Circuit parallèle ou dérivation (les dipôles sont connectés aux mêmes nœuds) :
II – L’INTENSITE DU COURANT
1- Nature et sens du courant électrique
Le courant électrique est dû à un …………………………………………………………….
Dans un conducteur métallique, les porteurs de charges sont ………………………………….
Dans une solution, les porteurs de charges sont ………………………..…………
e-
Sens conventionnel du courant dans un circuit électrique : ………………………………….
C’est le sens contraite de déplacement …………………………………..
2- Définition et mesure de l’intensité du courant électrique
L’intensité, noté I, est une grandeur qui caractérise le courant électrique. C’est la charge q qui
traverse, par unité de temps, une section de conducteur :
I : intensité en
q : charge en
q
t : durée en
Section de
conducteur
L’appareil de mesure de l’intensité est un …………………………………..
Symbole :
Branchement :
- Borne COM ou noire réliée au ……ou à la borne .............. du générateur ;
- Borne A ou 10A rélié au …… ou à la borne .............. du générateur ;
Rq : Si on branche l’ampèremètre à l’envers, un ………. apparaît à l’affichage.
Utilisation des calibres :
La valeur du calibre choisi doit toujours être supérieure à la valeur de l’intensité mesurée. On
commence donc par utiliser le calibre le plus ………………. puis on ……………………………. si nécessaire.
I
3- Lois des intensités (ou loi des nœuds)
Enoncé :
Application :
I2 = 90mA I3 = 4mA
I3
A
I4 = 1,2mA
I1
I2
1 - Indiquer le sens des courants.
E
2 - Enoncer la loi des noeuds. Donner la relation de la loi
des noeuds au noeud B, au noeud C, au noeud D et au noeud E.
3 - Calculer I1, I5, I6 et I7.
P
I4 D
B
N
I6
I5
C
I7
4- Surintensité et court-circuit
 Il y a surintensité quand l’intensité du courant traversant un composant est supérieure à la valeur
maximale que celui-ci peut supporter. Cette valeur maximale est indiquée par le constructeur.
Exemple :
I
I
L1
I
La lampe L1 est court-circuitée : le courant est dévié dans le fil conducteur
branché à ses bornes. L’intensité dans le circuit est alors augmentée :
danger !
Un générateur court-circuité peut-être endommagé.
L2
III – LA TENSION ELECTRIQUE
1 – Différence de potentiel
Chaque point du circuit possède un potentiel électrique V qui caractérise l’état du circuirt.
Entre deux point A et B d’un circuit, on mesure un différence de potentiel aussi appelée tension :
VA et VB : potentiel en volts (V)
UAB : tension en V
Représentation de tension par une flèche :
A
B
La pointe de la flèche est dirigée vers la première lettre citée.
2- Mesure de la tension
L’appareil de mesure de la tension est un ……………………………...
Symbole :
Branchement : On mesure la tension UAB.
- Borne V réliée à la borne ……….. ;
- Borne COM rélié à la borne ………….. ;
Utilisation des calibres : le principe est le même que pour l’ampèremètre mais dans la zone VOLT !
Remarque : la tension aux bornes d’un fil est U = 0V.
3- Lois des tensions
Pour des dipôles en série :
Pour des dipôles en dérivation :
Applications : On donne les tensions UPN = 12V ; UED = 7,63V et UBA = -4,32V.
Calculer les tension UBC et UEF.
B
A
C
P
N
F
E
D
Soit le circuit électrique suivant :
1) Quelle relation a-t-on entre la tension UED et UDE.
2) Exprimez la tension UED en fonction de UFE, UDC, UBC et
UFA. Placer ces tensions sur le schéma.
3) Exprimez la tension UBE en fonction des autres tensions
en passant par deux chemins de circuit différents.
4) Comment branche-t-on un voltmètre dans un circuit ?
Placez un voltmètre sur ce schéma de manière à
mesurer la tension UFD (placer les bornes V et COM du
voltmètre).
5) A l'aide du voltmètre précédent on obtient des valeurs de tension.
Tension
mesurée
Tension en V
UEB
UED
10
UAB
UBC
UCD
UFA
-3
-3
15
IV – LA PUISSANCE ELECTRIQUE
Pe =
Pe s’exprime en Watt (W)
UFE
UFD