Chapitre P10 : Transfert d`énergie au niveau d`un générateur et d`un

Chapitre P10 :
Transfert d'énergie au niveau d'un générateur et d'un récepteur
I) Les grandeurs électriques : (voir TP 9 de physique)
I-1) Qu'est-ce que l'intensité du courant électrique ?
Un courant électrique est déplacement de porteurs de charges. Dans un solide comme les
métaux, ces porteurs de charges sont les électrons. Dans une solution électrolytique, ce
sont les ions qui jouent le rôle de porteur de charge.
On définie une grandeur électrique caractéristique des courants électrique, nommée
intensité, et qui représente le débit de charges électriques à travers une section donnée,
c'est à dire le nombre de porteurs de charges qui passent à un endroit donné pendant un
temps donné.
L'intensité du courant électrique notée I, circulant dans un conducteur est donc la quantité
de charges q qui traverse une section de ce conducteur pendant une durée Δt. Soit :
I=q
t
L'unité d'intensité, l'ampère (A) donnée en hommage au physicien
français André Marie Ampère, correspond au passage de 6,24×1018
électrons en une seconde. (L'ampère est en réalité définie comme la valeur de
l'intensité courant constant qui, s'il est maintenu dans deux conducteurs
linéaires et parallèles de longueurs infinies, de section négligeables, et distant
d'un mètre dans le vide, produirait entre ces deux conducteurs, une force égale
à 2×10-7 N).
Par convention, le sens du courant électrique a été fixé comme étant
celui du déplacement des charges positives, c'est à dire du pôle positif
vers le pôle négatif.
I-2) Qu'est-ce que le potentiel et la tension électrique ?
Le potentiel électrique est une grandeur physique qui traduit l'état électrique d'un
point du circuit. Il représente en fait la quantité de porteurs de charges stationnés en ce
point du circuit. Noté V, le potentiel s'exprime en volt (V).
La tension électrique est quand à elle la différence de potentiels entre deux points d'un
circuit. Notée U, elle s'exprime en volt également.
Ainsi on définit une tension électrique entre deux points A et B d'un circuit, noté UAB par la
différence des potentiels aux points A et B : UAB = VA – VB .
Dans les circuits électriques, on représente la tension UAB = VA – VB par une flèche dont
l'extrémité est dirigée vers le point A.
UAB
UBA
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I en ampère (A)
q en coulomb (C) ; Δt en seconde (s)
André Marie Ampère
1775 – 1836
Prix Nobel en 1906
Mathématicien, physicien et chimiste français
UAB = - UBA

Pour comprendre le sens physique de la tension électrique :
Pour que le courant électrique passe dans un dipôle, il doit exister une tension électrique entre ses
bornes. Pour comprendre comment la tension peut mettre en mouvement les électrons, il faut
s'imaginer qu'ils sont comme des balles placées dans un tuyau. Si ce dernier est parfaitement
horizontal, les balles restent immobiles. Maintenant, si on abaisse l'une des extrémités, tandis que
l'autre reste à la même hauteur, alors cette fois les balles vont se mettre en mouvement grâce à
l'énergie potentielle fournie par la différence de hauteur. De la même manière dans un conducteur,
la différence de potentiel électrique qui règne entre ces deux extrémités met en mouvement les
électrons libres. Plus la différence de potentiel (donc la tension) entre deux points d'un circuit
électrique est importante, et plus les électrons libres auront de l'énergie pour se déplacer entre ces
deux points.
I-3) La puissance électrique :
Voir TP 9 de physique : les grandeurs électriques
Nous avons montré en TP, que deux grandeurs physiques sont nécessaires pour rendre
compte de l'énergie électrique reçue par un récepteur ou cédé par un générateur : la
tension entre ses bornes et l'intensité du courant qui le traverse.
La puissance électrique P, est une grandeur qui permet de rendre compte de cette énergie
électrique reçue ou cédé. On l'a définit comme le produit de la tension aux bornes du
dipôle par l'intensité du courant qui le traverse. Soit :
P = U×I
P s'exprime en en watt (W) ; U en volt (V) et I en ampère (A).
II) Transferts d'énergie dans les circuits électriques :
II-1) Mise en évidence des transferts d'énergie dans un circuit :
Activité : comment mettre en évidence des transferts d'énergie électrique ?
Réponses aux questions :
1- Lorsque l'on ferme l'interrupteur, la lampe brille et chauffe, le moteur tourne et chauffe
et des réactions chimiques se produisent aux électrodes de l'électrolyseur.
2- On constate dans la lampe, un transfert d'énergie électrique en énergie thermique et en
rayonnement. Le moteur effectue lui un transfert d'énergie électrique en énergie
mécanique et en énergie thermique. L'électrolyseur convertit lui de l'énergie électrique en
énergie chimique.
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électrolyseur

3- C'est le générateur qui fournit l'énergie électrique au reste du circuit.
Conclusion :
Lampe, moteur et électrolyseur sont des récepteurs électriques. En effet, en vertu du
principe de conservation de l'énergie, les récepteurs convertissent l'énergie électrique
fournie par le générateur en autres formes d'énergie (mécanique, thermique, chimique,
rayonnement).
II-2) Puissance et énergie reçue par un récepteur :
II-2-a) La convention récepteur :
Par convention, lorsqu'un récepteur (dipôle AB) est parcouru par un courant allant de A
vers B, la tension UAB est positive. La flèche représentant UAB est alors dans le sens opposé
à celui du courant.
UAB > 0V
II-2-b) Puissance reçue par un récepteur :
Activité : puissance nominale d'une lampe.
Remarque : sur le culot d'une lampe sont gravées , les valeurs nominales de
la tension (ou de l'intensité) de la puissance qui correspondent aux
conditions normales d'utilisation conseillées par le constructeur.
•On réalise le montage schématisé ci-contre. Lampe (12V,
250mA)
•On ajuste la tension délivrée par le générateur afin que la tension UAB aux bornes de
la lampe soit égale à 6V.
•On mesure alors l'intensité I du courant qui traverse la lampe et la tension à ses
bornes.
•On refait cette mesure pour une tension UAB aux bornes de la lampe égale à 12V.
Résultat :
•Lorsque UAB = 6V, on mesure I = 125 mA. La lampe ne brille pas ou peu. La
puissance reçue par la lampe est donc P = 6×0,1 = 0,75W.
•Lorsque UAB = 12V, on mesure I = 250 mA. La lampe brille correctement. La
puissance reçue par la lampe est P = 12×0,250 = 3W. Ce qui correspond à la
puissance nominale de la lampe.
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• •
AB
I
+-
I
• •
A B
UAB

Conclusion :
En courant continu, la puissance PE transférée à un récepteur est égale au produit de la
tension UAB à ses bornes par l'intensité I du courant qui le traverse. Soit :
PE = UAB × I PE s'exprime en watt (W) ; UAB en volt et I en ampère.
Exemple : puissances nominales de quelques appareils électriques courant
Appareil Puissance
Montre - calculatrice 1mW
Lampe de poche 1W
Lampe a incandescence De 1W à 500W
Réfrigérateur 150 à 300 W
Fer à repasser 1000W
Four électrique 3500 W
Moteur du TGV 1MW
Centrale électrique 1 GW
II-2-c) Énergie reçue par un récepteur :
Nous avons vu en mécanique que le puissance d'une force qui effectue un travail W
pendant une durée Δt vaut :
P=W
t
De façon analogue, la puissance électrique reçue par un récepteur pendant une durée Δt
est :
Pe=We
t
We est l'énergie électrique reçue par un récepteur pendant la durée Δt :
We = Pe × Δt = UAB × I × Δt
We s'exprime en joule (J), Peen watt (W), UAB en volt (V), I en ampère (A).
Remarque :
EDF facture la consommation d'énergie électrique en kilowattheure (kWh). C'est l'énergie
consommée par un récepteur de 1 kW pendant une durée d'une heure.
1kWh = 1000 Wh = 1000 × 3600 = 3,6 MJ
Pour tout savoir de la facture, consultez le diaporama de Mr Braneyre.
Remarque :
Pour une même énergie électrique transférée, la puissance transférée est d'autant plus
grande que la durée Δt du transfert est faible.
La puissance électrique PE permet d'évaluer la rapidité d'un transfert d'énergie.
II-3) Puissance et énergie fournies par le générateur:
II-3-a) La convention générateur :
Par convention, la tension UPN aux bornes d'un générateur est positive. La flèche
représentant UPN est dans le sens du courant.
Chapitre P10 4/9
+-
G
•• • •
PNPN
UPN >0 UPN >0
II

II-3-b) Puissance émise par un générateur :
On considère un générateur délivrant un courant continu d'intensité I. Si P est sa borne
positive, alors UPN est positive.
La puissance électrique fournie par le générateur au reste du circuit est donnée par la
relation : Pe = UPN ×I
Pe est en watt W ; UPN en volt (V) et I en ampère (A).
II-3-c) Énergie fournie par un générateur :
L'énergie fournie par le générateur au reste du circuit pendant la durée Δt est égale à :
We = Pe × Δt = UPN × I × Δt
We en joule (J), Pe en watt (W), UPN en volt (V) ; I en ampère (A)
III) Pourquoi les dipôles électriques chauffent-ils ?
III-1) Comment fonctionne une lampe à incandescence ? (Mise en évidence de l'effet
Joule)
Expérience de cours :
On fait passer un courant délivré par deux piles de 9V montées en série, dans une mine de
crayon.
Observations :
On constate que la mine s'échauffe fortement, puis est rapidement portée au rouge et finie
par brûler.
Interprétation :
Le courant traversant la mine provoque l'échauffement de cette dernière et finie par
devenir incandescente. Elle émet alors de la lumière avant de brûler.
Conclusion :
Lorsqu'un conducteur est parcouru par un courant électrique, il s'échauffe et peut émettre
un rayonnement. C'est ce que l'on appelle l'effet Joule. Si l'intensité du courant est très
forte, alors il peut devenir incandescent et émettre de la lumière avant de brûler. C'est le
principe utilisé dans les lampes à incandescence.
Voir la vidéo de la lampe d'Edisson.
La première lampe électrique, inventée par Edisson était constituée d'un filament de
carbone (comme la mine utilisée). De nos jours, on utilise un filament de tungstène (plus
résistant).
III-2) Comment expliquer microscopiquement l'effet Joule ?
Tous les matériaux (même les bons conducteurs) offrent une résistance au passage du
courant électrique. En effet, les électrons libres qui se déplace dans le matériau et qui
constituent le courant électrique, vont pour certains percuter les atomes* du matériaux.
Ces chocs rendent non seulement plus difficile le déplacement des électrons (c'est pour
cela que l'on dit que la résistance limite le passage du courant) mais au cours de ces chocs,
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