12 Énergie électrique. Courant alternatif

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(L’ensemble de ce chapitre est à traiter pour les secteurs 1, 2, 3, 4.)
Les objectifs de ce chapitre sont :
>
>
>
>
>
identifier une tension continue et alternative sur un oscillogramme ;
mesurer la puissance électrique consommée par un dipôle ;
comprendre le fonctionnement du compteur électrique ;
utiliser la loi de Joule ;
déterminer graphiquement et par le calcul les valeurs des tensions U max ,
U efficace , des intensités I max , I efficace , de la période T et de la fréquence f.
Situation de départ
Une personne vient
d’acquérir un lave-linge
qu’elle branche sur une prise
électrique de 16 ampères.
En la mettant en
fonctionnement, au bout de
quelques instants, un fusible
« saute » et le lave-linge
s’arrête immédiatement.
Cette personne regarde alors
la plaque signalétique
de l’appareil et constate
que la puissance consommée
est de 3 960 W.
Pourquoi le fusible a-t-il « sauté » ?
Résolution
Rendez-vous page 131
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Énergie électrique.
Courant alternatif
Les appareils électriques possèdent une plaque signalétique où est indiqué, entre
autres, la puissance qu’ils consomment. Il y a aussi, sur les appareils ménagers par
exemple, un symbole « ~ » qui signifie que l’appareil fonctionne sous une tension alternative. La tension alternative délivrée par le secteur dans les habitations est de 220 V.
Le compteur électrique permet de connaître la consommation d’énergie électrique
pendant un temps donné.
Pour visualiser une tension continue ou alternative, on utilise un oscilloscope.
 Nathan/VUEF 2002 • La photocopie non autorisée est un délit
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12
> 129
1 générateur de
tension continue
6 V-12 V
La puissance électrique s’exprime en watt (W) et se mesure avec un wattmètre ou alors
avec un ampèremètre et un voltmètre.
MODE OPÉRATOIRE
2 multimètres
(un commuté
en ampèremètre
et l’autre en voltmètre)
1 interrupteur
des fils de
connexions
> Réalisez le montage électrique correspondant au schéma ci-dessous.
> Réglez le générateur en 6 V continu.
1 lampe de 6 V et
1 lampe de 12 V
6 V - 12 V
1 wattmètre
(montage no 2)
V
G
lampe
A
Fermez l’interrupteur.
> Lisez les indications données par le voltmètre et l’ampèremètre :
U = . . . . . . . . . . . . .;
I = . . . . . . . . . . . . ..
Montage n° 2
> Réalisez le montage électrique correspondant au schéma ci-dessous.
> Réglez le générateur en 6 V continu.
6 V - 12 V
G
K
W
Fermez l’interrupteur.
> Lisez les indications données par le wattmètre :
P = . . . . . . . . . . . . ..
> Recommencez ces deux expériences avec la lampe de 12 V en réglant le générateur en 12 V continu.
> Complétez le tableau ci-dessous :
Montage 1
Lampe 6 V
Lampe 12 V
130 < 12. Énergie électrique. Courant alternatif
Montage 2
U (V)
I (A)
U×I
P (W)
.............
.............
.............
.............
.............
.............
.............
.............
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Montage n° 1
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M A T É R I E L
Mesurer une puissance électrique
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Activité 1
CONCLUSION
> Le produit U × I est égal à la puissance électrique.
La relation entre la puissance électrique P consommée par un dipôle, la tension U entre ses bornes et l’intensité I du courant qui le traverse est :
P=U×I
Puissance en watt (W)
Tension en volt (V)
Intensité en ampère (A)
Résolution de la situation de départ
P
L’intensité du courant qui devrait parcourir le lave-linge est : I = ---- , soit
U
I = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . La valeur de cette intensité est supérieure à ce que
peut supporter le fusible. C'est pourquoi il « saute ».
Activité 2
Connaître l’effet Joule
M A T É R I E L
MODE OPÉRATOIRE
1 générateur de
tension continue
variable 0-24 V
> Réalisez le montage électrique représenté par le schéma ci-dessous :
2 multimètres
(un commuté
en ampèremètre
et l’autre
en voltmètre)
W
A
1 wattmètre
1 résistor de
résistance 10 R R = 10 V
1 interrupteur
des fils de
connexions
Fermez le circuit.
> Réglez le générateur sur 2 V.
> Notez les valeurs indiquées par les appareils de mesures.
> Approchez votre doigt du résistor. Faites varier la tension à l’aide du générateur
pour réaliser 2 autres mesures. Complétez le tableau suivant :
U
I
I2
R × I2
P lue sur
le wattmètre
.............
.............
.............
.............
.............
.............
.............
.............
.............
.............
.............
.............
.............
.............
.............
12. Énergie électrique. Courant alternatif
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> Les produits U × I sont . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . aux valeurs lues sur le wattmètre.
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OBSERVATION
> 131
Les produits R × I 2 sont . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . aux valeurs lues sur le wattmètre.
Lorsqu’il est parcouru par un courant électrique, le résistor produit de la
.........................
CONCLUSION
Le produit R × I 2 est égal à la puissance électrique consommée par le résistor.
La relation entre la puissance électrique P consommée par un résistor, sa
résistance R et l’intensité I du courant qui le traverse est :
P = R × I2
Puissance en watt (W)
Intensité en ampère (A)
Résistance en ohm ( )
Tout conducteur parcouru par un courant est le siège d’un dégagement de
chaleur : c’est l’effet Joule.
Mesurer l’énergie électrique
Le compteur électrique permet de mesurer la puissance consommée par un appareil durant un certain temps. Cette mesure est appelée énergie électrique et se note E ou W. Dans
les habitations, l’énergie électrique consommée se lit sur le compteur électrique que seul
un agent de l’EDF (Électricité De France) peut installer.
43311501 0
ETS ELEC 586
2 2 2 3 0
Il existe trois méthodes pour connaître l’énergie
consommée par un appareil électrique.
Étudions-les dans le cas du lave-linge.
kWh
TYPE
L7C2
220 V 10 - 30 A
APPROUVÉ LE 10 4 61
50 Hz
C = 2,5 Wh/tr.
MONOPHASE 2 FILS
CL 2o
No J . 404548
1971
Première méthode
Le cadran du compteur électrique indique, avant le fonctionnement du lave-linge,
2 219 kWh. Après une heure de fonctionnement, le compteur indique 2 223 kWh.
Il suffit de faire la différence entre ces deux valeurs.
> Calculez l’énergie électrique consommée en une heure par le lave-linge en supposant qu’il ait été le seul appareil électrique à fonctionner dans l’habitation :
E=...............................................................................
132 < 12. Énergie électrique. Courant alternatif
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Activité 3
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> Complétez les phrases suivantes :
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OBSERVATIONS
Sachant qu’à chaque tour, l’énergie consommée est de 2,5 Wh (constante C), il suffit
d’utiliser la relation :
Énergie consommée (Wh) = Constante C (Wh/tr) × Nombre de tours
On a compté que le disque faisait 66 tours en une minute.
> Calculez, en Wh, en utilisant la relation précédente, l’énergie consommée par
le lave-linge en une minute :
E=...............................................................................
> Calculez, en Wh, l’énergie consommée par le lave-linge en une heure :
E=...............................................................................
> Convertissez votre résultat en kWh :
E=...............................................................................
Troisième méthode
L’énergie électrique consommée peut être calculée à l’aide de la formule :
E=P×t
Si la puissance P est exprimée en watt (W) et le temps t en heure (h), l’énergie électrique E s’exprime en wattheure(Wh).
Si la puissance P est exprimée en kilowatt (kW) et le temps t en heure (h),
l’énergie électrique E s’exprime en kilowattheure (kWh).
Si la puissance P est exprimée en watt (W) et le temps t en seconde (s),
l’énergie électrique E s’exprime en joule (J).
> Calculez, en Wh, l’énergie consommée par le lave-linge en une heure. La puissance électrique du lave-linge est de 3 960 W.
E=...............................................................................
> Convertissez votre résultat en kWh :
E=...............................................................................
> Convertissez votre résultat en joule (rappel : il y a 3 600 secondes dans une
heure) :
E=...............................................................................
12. Énergie électrique. Courant alternatif
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On peut aussi compter le nombre de tours effectués par le disque du compteur électrique.
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Deuxième méthode
> 133
Un oscilloscope est un appareil qui mesure des tensions : il se branche donc en parallèle
aux bornes des éléments d’un circuit électrique. Surtout, il permet de voir comment varie
une tension au cours du temps.
Ce que l’on voit sur son écran s’appelle un oscillogramme.
Comme sur un voltmètre, on peut régler le calibre des tensions, mais en plus, on peut
régler la vitesse avec laquelle le point lumineux se déplace sur l’écran.
Expérience 1
M A T É R I E L
MODE OPÉRATOIRE
1 générateur de
courant continu 6 V
6V–
V
t
OSCILLOSCOPE
1 oscilloscope
réglé sur 2 V/div
des fils de
connexions
> Reliez la borne + du générateur à la borne + de l’oscilloscope.
> Reliez la borne – du générateur à la borne – de l’oscilloscope.
Allumez l’oscilloscope. Notez la position du trait lumineux.
> Allumez le générateur. Notez la forme et la position du trait lumineux.
...................................................................................
Tracez ci-dessous ce que vous voyez sur l’écran :
134 < 12. Énergie électrique. Courant alternatif
V
t
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...................................................................................
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Voir des tensions
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Activité 4
...................................................................................
OBSERVATION
> Complétez :
Lorsqu’on allume le générateur, le trait lumineux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . mais est
toujours une droite.
La valeur de la tension est de . . . . . . . . . . . . . V.
CONCLUSION
>
Le trait lumineux est une droite en courant continu.
Expérience 2
M A T É R I E L
1 générateur de
courant alternatif
6V
MODE OPÉRATOIRE
6V–
V
t
OSCILLOSCOPE
1 oscilloscope
réglé sur 2 V/div
des fils de
connexions
> Reliez la borne + du générateur à la borne + de l’oscilloscope.
> Reliez la borne – du générateur à la borne – de l’oscilloscope.
Allumez l’oscilloscope. Notez la position du trait lumineux.
...................................................................................
> Allumez le générateur. Notez la forme du trait lumineux.
...................................................................................
Tracez ci-dessous ce que vous voyez sur l’écran.
V
t
12. Énergie électrique. Courant alternatif
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> Calculez la valeur de la tension, sachant qu’en ordonnée, un carreau
représente 2 V.
> 135
CONCLUSION
> Le trait lumineux (qui représente la tension) décrit une courbe. Cette courbe varie
alternativement vers le haut et vers le bas : on parle de courant alternatif. De plus, la
même figure, appelée sinusoïde, se répète à des intervalles de temps constant, appelés périodes T. On parle alors de tension sinusoïdale.
T
Umax
Oscillogramme
Une tension sinusoïdale est caractérisée par sa période T en seconde (s). On
peut aussi la caractériser par sa fréquence qui est l’inverse de la période. La
fréquence s’exprime en hertz (Hz).
1
f = --T
Fréquence en hertz (Hz)
Période en seconde (s)
Une tension sinusoïdale est aussi caractérisée par sa valeur maximale
( U max ) .
Activité 5
Distinguer tension maximale et tension efficace
M A T É R I E L
MODE OPÉRATOIRE
1 oscilloscope
réglé sur le calibre
2V/div
1 résistor de résistance 6 ohms
> Réalisez le montage électrique correspondant au schéma ci-dessous :
V
t
G
OSCILLOSCOPE
6V
1 rhéostat
1 générateur de
courant alternatif
6V
1 multimètre
commuté en voltmètre
des fils de
connexions
136 < 12. Énergie électrique. Courant alternatif
V
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La fréquence de la tension distribuée par EDF est de 50 Hz.
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> Lorsqu’on allume le générateur, le trait lumineux n’a plus la même . . . . . . . . . . . . . . .
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OBSERVATION
> Allumez le générateur.
> Notez la valeur de la tension U lue sur le voltmètre.
U=..............
> Calculez la valeur de la tension maximale U max lue sur l’oscilloscope.
U max = . . . . . . . . . . . . . .
La valeur de la tension U lue sur le voltmètre est différente de la valeur
U max lue sur l’oscilloscope. On appellera désormais U efficace ( U eff ) la valeur de la tension lue sur le voltmètre.
> Faites varier la position du curseur du rhéostat pour obtenir trois autres valeurs
de U eff et U max .
Complétez le tableau suivant :
U max (V)
..............
..............
..............
..............
U eff (V)
..............
..............
..............
..............
U max
-----------U eff
..............
..............
..............
..............
OBSERVATION
> Complétez d’après le tableau :
U max
Le quotient ------------ est . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . et égal à environ
U eff
..........................
CONCLUSION
U max
> Le quotient ------------ est en fait égal au nombre
U eff
2.
La relation entre tension maximale et tension efficace est donc :
U max = U eff × 2 .
Il est en de même pour l’intensité du courant :
I max = I eff × 2 .
12. Énergie électrique. Courant alternatif
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> Allumez l’oscilloscope.
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> Placez le curseur du rhéostat pour avoir une résistance maximale.
> 137
La puissance électrique reçue par un appareil est donnée par la relation P = U × I .
La puissance dissipée par effet Joule dans un résistor est donnée par la relation :
P = R × I2
2 Énergie électrique
L’énergie électrique est la puissance consommée par un appareil électrique durant un
certain temps t.
Elle se note E ou W et s’exprime en Joule (J) ou en kilowattheure (kWh).
E=P×t
E=P×t
s
KWh KW h
J
W
3 Tension sinusoïdale
La tension sinusoïdale est caractérisée par :
– son amplitude maximale notée U max exprimée en volt (V) que l’on peut lire sur un
oscilloscope ;
– sa période notée T exprimée en seconde (s) ;
– sa fréquence notée f exprimée en hertz (Hz).
période et fréquence sont liées par la relation :
1
T = --f
4 Relation entre la tension maximale et la tension efficace
U max = U × 2
5 Relation entre l’intensité maximale et l’intensité efficace
138 < 12. Énergie électrique. Courant alternatif
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I max = I × 2
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1 La puissance électrique
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ns
o
n
e
t
e
R
MATÉRIEL
• 1 générateur de tension continue 12 V
• 2 multimètres (ampèremètre et voltmètre)
• 1 interrupteur
• 1 lampe de 12 V
MODE OPÉRATOIRE
Placez sur le schéma ci-dessous les appareils permettant de mesurer l’intensité
du courant et la tension aux bornes de la lampe.
Réalisez le montage électrique correspondant au schéma.
Fermez le circuit.
1. Déterminez la tension U aux bornes de la lampe : U = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2. Déterminez l’intensité I traversant la lampe : I = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3. Calculez la résistance R de la lampe (rappel :
U=R×I):
...................................................................................
4. Calculez la puissance consommée par la lampe :
...................................................................................
E X E R C I C E S d’entraînement
Exercice 2
Une bouilloire électrique de puissance 1 000 W fonctionne durant 5 minutes.
Calculez, en Joule, l’énergie électrique consommée.
...................................................................................
...................................................................................
12. Énergie électrique. Courant alternatif
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exercices
Exercice 1
 Nathan/VUEF 2002 • La photocopie non autorisée est un délit
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E X E R C I C E expérimental
> 139
1. Calculez l’intensité du courant le traversant (arrondir à 0,01 A).
...................................................................................
2. Déduisez la résistance de l’élément chauffant (arrondir à 0,01 ).
...................................................................................
Exercice 4
Pour partir en voyage dans certains pays étrangers, il faut se munir d’une prise
spéciale appelée adaptateur pour pouvoir brancher nos appareils électriques
(par exemple, recharger un téléphone portable). La fréquence et la tension sont
variables selon les pays.
Complétez le tableau ci-dessous :
Pays
Tension
Fréquence
.........................
.........................
110 V
60 Hz
France
Amérique du Nord
La plaque signalétique d’un sèche-cheveux électrique comporte les indications
ci-dessous :
Type HD 4650
220 V 50 Hz
1 280 W
CE
Made in France
1. Nommez les grandeurs et les unités indiquées.
...................................................................................
2. Donnez le symbole qui permet de savoir que le sèche-cheveux fonctionne en
courant alternatif.
.........................
3. Calculez l’intensité du courant qui traverse le sèche-cheveux (arrondir à
0,01 A).
...................................................................................
4. Calculez l’énergie qu’il consomme (en kWh) lorsqu’il fonctionne pendant
30 minutes.
...................................................................................
...................................................................................
140 < 12. Énergie électrique. Courant alternatif
 Nathan/VUEF 2002 • La photocopie non autorisée est un délit
Exercice 5
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Un fer à repasser absorbe, sous 230 V, une puissance de 1 kW.
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Réservé aux enseignants - Reproduction interdite
- © Nathan
exercices
Exercice 3
2. Calculez la tension maximale d’une tension efficace de 24 V.
...................................................................................
Passons L ’ E X A M E N
Exercice 7
Lors du contrôle du circuit de charge d’une moto, on relève à l’aide d’un oscilloscope, la tension aux bornes de l’alternateur (figure A), et aux bornes du
Régulateur/Redresseur (figure B).
figure A
Sensibilité verticale :
50 V/Div
Sensibilité horizontale :
20 ms/Div
figure B
Sensibilité verticale :
50 V/Div
Sensibilité horizontale :
20 ms/Div
1. Indiquez la nature de la tension visualisée sur l’oscilloscope (figure B).
...................................................................................
2. Calculez la tension délivrée par le Régulateur/Redresseur.
...................................................................................
3. Indiquez la nature de la tension visualisée sur l’oscilloscope (figure A).
...................................................................................
4. Calculez la tension maximale U max , ainsi que la tension efficace U aux
bornes de l’alternateur.
U max = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
U=...............................................................................
12. Énergie électrique. Courant alternatif
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exercices
1. Calculez la tension efficace d’un signal de tension maximale 100 V.
...................................................................................
 Nathan/VUEF 2002 • La photocopie non autorisée est un délit
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Exercice 6
> 141
6. Calculez la fréquence f du signal (figure A).
...................................................................................
(D’après CAP Productique et maintenance)
Pour surveiller le toboggan de la piscine en plein air, le maître nageur se trouve
dans une cabine chauffée par un convecteur électrique. Sur la plaque signalétique de cet appareil, on peut lire : 220 V ; 2 500 W.
1. Indiquez à quelles grandeurs correspondent les indications portées sur la
plaque.
...................................................................................
...................................................................................
2. Donnez le nom de l’appareil permettant de mesurer la grandeur 220 V.
...................................................................................
3. Calculez l’intensité du courant électrique qui traverse le convecteur (arrondir à l’unité).
...................................................................................
4. Cochez la case correspondant au fusible de protection le mieux approprié :
220 V ; 5 A
220 V ; 10 A
220 V ; 16 A
5. Calculez l’énergie consommée (en kWh) lorsque le convecteur fonctionne
pendant 10 heures.
...................................................................................
...................................................................................
142 < 12. Énergie électrique. Courant alternatif
(D’après CAP du secteur 2)
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Exercice 8
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...................................................................................
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exercices
5. Calculez la période T du signal (figure A).
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