Récepteurs et générateurs électriques

Récepteurs et générateurs électriques
I. Circuit électrique en courant continu
1. La tension électrique
La tension électrique est une grandeur que l'on mesure à l'aide d'un
voltmètre; elle s'exprime en volts (V). Le voltmètre se branche en dérivation.
La tension électrique existant entre deux points A et B est notée UAB.
UAB = VA - VB
avec
UAB: Tension électrique existant entre les points A et B en
volts (V).
VA: potentiel électrique au point A en volts (V).
VB: potentiel électrique au point B en volts (V).
Remarque: La tension électrique est une grandeur algébrique:
UAB = VA - VB => UAB = - (VB - VA)
=> UAB = - UBA
2. Intensité du courant électrique
L'intensité du courant électrique se mesure à l'aide d'un ampèremètre, elle
s'exprime en ampères (A). L'ampèremètre se branche en série.
Remarque: Le sens conventionnel du courant est celui du parcourt du
circuit, à l'extérieur du générateur, de la borne positive à la borne négative.
II. Transfert d'énergie dans un récepteur
1. Exemples
Soit le circuit ci-contre. Lorsqu'on ferme l'interrupteur, l'ampoule brille.
•
•
L'ampoule s'échauffe et fournit de l'énergie à l'environnement par chaleur
et par rayonnement.
D'autre part, l'ampoule reçoit de l'énergie de la part du générateur.
Dans l'exemple suivant (image ci-contre), lorsque l'interrupteur est fermé, le moteur soulève
la charge m.
•
•
•
Le moteur fournit de l'énergie à la charge par travail mécanique. Celle-ci
la stocke sous forme d'énergie mécanique (énergie cinétique et énergie
potentielle de pesanteur).
De plus, le moteur s'échauffe et fournit de l'énergie à l'environnement
par chaleur et par rayonnement.
D'autre part, le moteur reçoit de l'énergie de la part du générateur.
2. Définitions
•
•
•
Un récepteur est un appareil qui convertit l'énergie électrique qu'il reçoit en un autre
forme d'énergie.
Un récepteur est dit passif si toute l'énergie qu'il reçoit est convertie en énergie
thermique (conducteur ohmique par exemple).
Un récepteur est dit actif s'il convertit une partie de l'énergie électrique qu'il reçoit en
une autre forme d'énergie que l'énergie thermique.
3. Energie électrique reçue
Il est évident que l'énergie électrique reçue par un récepteur dépend de:
•
•
•
La tension UAB existant entre ses bornes.
L'intensité I du courant qui le traverse.
La durée t de son utilisation.
Wel = UAB.I. t
avec
W el: Energie reçue par le récepteur en joules (J).
UAB: Tension électrique aux bornes du récepteur en volts
(V).
I: Intensité du courant traversant le récepteur en ampères
(A).
t: durée d'utilisation du récepteur en secondes (s).
Remarque: convention récepteur: le courant "descend" les potentiels.
4. Puissance électrique reçue
Définition: On appelle puissance électrique reçue par une récepteur la quantité:
avec
Pel: Puissance reçue par le récepteur en watts (W).
W el: Energie reçue par le récepteur en joules (J).
t: durée d'utilisation du récepteur en secondes (s).
Remarques:
Pel
=
UAB.I. t
=>
Pel = UAB.I
La puissance électrique permet d'avoir une idée de la rapidité du transfert d'énergie
électrique.
III. Effet Joule
1. Définition
On appelle effet Joule l'effet thermique associé au passage du courant électrique dans un
conducteur.
2. Conducteur ohmique
Définition: Un conducteur ohmique est un dipôle qui vérifie la loi d'ohm. La tension a ses
bornes est proportionnelle à l'intensité du courant qui le traverse.
UAB = R.I
avec
UAB: Tension électrique aux bornes du conducteur ohmique en
volts (V).
R: résistance du conducteur ohmique en ohms ( )
I: Intensité du courant traversant le conducteur ohmique en
ampères (A).
3. Loi de Joule:
Un conducteur ohmique est un dipôle passif. Toute l'énergie électrique qu'il reçoit est
transformée en énergie thermique par effet Joule.
On en déduit que:
We = QJ Or We = UAB.I. t et UAB = R.I =>
We = QJ = R.I2. t
Remarque: Il est évident que Pe = PJ = R.I2 (PJ: puissance consommée par effet Joule).
4. Application de l'effet joule
Les applications de l'effet Joules sont multiples. Certaines sont utiles, d'autres nuisent au
fonctionnement des circuits.
Parmi les effets utiles,
citons:
•
•
•
•
Parmi les effets nuisibles, citons:
•
•
•
Le chauffage
électriques.
L'éclairage par
incandescence.
Le disjoncteur
thermique.
Le fusible.
L'échauffement des circuits électriques.
Les pertes en lignes.
La détérioration de certains circuits sous l'effet
d'une augmentation de température.
Récepteurs et générateurs électriques
I. Circuit électrique en courant continu
1. La tension électrique
La tension électrique est une grandeur que l'on mesure à l'aide d'un voltmètre; elle
s'exprime en volts (V). Le voltmètre se branche en dérivation. La tension électrique existant
entre deux points A et B est notée UAB.
UAB = VA - VB
avec
UAB: Tension électrique existant entre les points A et B en
volts (V).
VA: potentiel électrique au point A en volts (V).
VB: potentiel électrique au point B en volts (V).
Remarque: La tension électrique est une grandeur algébrique:
UAB = VA - VB => UAB = - (VB - VA)
=> UAB = - UBA
2. Intensité du courant électrique
L'intensité du courant électrique se mesure à l'aide d'un ampèremètre, elle s'exprime en
ampères (A). L'ampèremètre se branche en série.
Remarque: Le sens conventionnel du courant est celui du parcourt du circuit, à l'extérieur
du générateur, de la borne positive à la borne négative.
II. Transfert d'énergie dans un récepteur
1. Exemples
Soit le circuit ci-contre. Lorsqu'on ferme l'interrupteur, l'ampoule brille.
•
•
L'ampoule s'échauffe et fournit de l'énergie à l'environnement par chaleur et par
rayonnement.
D'autre part, l'ampoule reçoit de l'énergie de la part du générateur.
Dans l'exemple suivant (image ci-contre), lorsque l'interrupteur est fermé, le moteur soulève
la charge m.
•
•
•
Le moteur fournit de l'énergie à la charge par travail mécanique. Celle-ci la stocke
sous forme d'énergie mécanique (énergie cinétique et énergie potentielle de
pesanteur).
De plus, le moteur s'échauffe et fournit de l'énergie à l'environnement par chaleur et
par rayonnement.
D'autre part, le moteur reçoit de l'énergie de la part du générateur.
2. Définitions
•
•
•
Un récepteur est un appareil qui convertit l'énergie électrique qu'il reçoit en un autre
forme d'énergie.
Un récepteur est dit passif si toute l'énergie qu'il reçoit est convertie en énergie
thermique (conducteur ohmique par exemple).
Un récepteur est dit actif s'il convertit une partie de l'énergie électrique qu'il reçoit en
une autre forme d'énergie que l'énergie thermique.
3. Energie électrique reçue
Il est évident que l'énergie électrique reçue par un récepteur dépend de:
•
•
•
La tension UAB existant entre ses bornes.
L'intensité I du courant qui le traverse.
La durée t de son utilisation.
Wel = UAB.I. t
avec
W el: Energie reçue par le récepteur en joules (J).
UAB: Tension électrique aux bornes du récepteur en volts
(V).
I: Intensité du courant traversant le récepteur en ampères
(A).
t: durée d'utilisation du récepteur en secondes (s).
Remarque: convention récepteur: le courant "descend" les potentiels.
4. Puissance électrique reçue
Définition: On appelle puissance électrique reçue par une récepteur la quantité:
avec
Pel: Puissance reçue par le récepteur en watts (W).
W el: Energie reçue par le récepteur en joules (J).
t: durée d'utilisation du récepteur en secondes (s).
Remarques:
Pel
=
UAB.I. t
=>
Pel = UAB.I
La puissance électrique permet d'avoir une idée de la rapidité du transfert d'énergie
électrique.
III. Effet Joule
1. Définition
On appelle effet Joule l'effet thermique associé au passage du courant électrique dans un
conducteur.
2. Conducteur ohmique
Définition: Un conducteur ohmique est un dipôle qui vérifie la loi d'ohm. La tension a ses
bornes est proportionnelle à l'intensité du courant qui le traverse.
UAB = R.I
avec
UAB: Tension électrique aux bornes du conducteur ohmique en
volts (V).
R: résistance du conducteur ohmique en ohms ( )
I: Intensité du courant traversant le conducteur ohmique en
ampères (A).
3. Loi de Joule:
Un conducteur ohmique est un dipôle passif. Toute l'énergie électrique qu'il reçoit est
transformée en énergie thermique par effet Joule.
On en déduit que:
We = QJ Or We = UAB.I. t et UAB = R.I =>
We = QJ = R.I2. t
Remarque: Il est évident que Pe = PJ = R.I2 (PJ: puissance consommée par effet Joule).
4. Application de l'effet joule
Les applications de l'effet Joules sont multiples. Certaines sont utiles, d'autres nuisent au
fonctionnement des circuits.
Parmi les effets utiles,
citons:
•
•
•
•
Le chauffage
électriques.
L'éclairage par
incandescence.
Le disjoncteur
thermique.
Le fusible.
Parmi les effets nuisibles, citons:
•
•
•
L'échauffement des circuits électriques.
Les pertes en lignes.
La détérioration de certains circuits sous l'effet
d'une augmentation de température.
IV. Cas des récepteurs actifs
1. Loi d'ohm pour un récepteur
La caractéristique UAB=f(I) d'un récepteur actif a l'allure suivante .
Cette caractéristique est linéaire et ne passe pas par l'origine. Son équation est de la forme
UAB=a.I+b.
•
•
L'ordonnée à l'origine b a la dimension d'une tension. Cette tension est appelée force
contre électromotrice du récepteur et est notée E'.
-1
Le coefficient directeur a s'exprime en V.A , c'est à dire en ohms. Il a donc la
dimension d'une résistance. Le coefficient directeur représente la résistance interne
du récepteur et est noté r'.
On en déduit la loi d'ohm pour un récepteur:
UAB = E' + r'.I
avec
UAB: Tension électrique aux bornes du récepteur en volts
(V).
E': Force contre électromotrice du récepteur en volts (V).
r': Résistance interne du récepteur en ohms ( )
I: Intensité du courant traversant le récepteur en
ampères (A).
2. Exemples de transferts d'énergie
En fonctionnement, un récepteur actif transforme une partie de l'énergie électrique qu'il
reçoit en une autre forme d'énergie que l'énergie thermique.
3. Energie utile
Définition: On appelle énergie utile la fraction de l'énergie reçue par un récepteur actif qui
est convertie en une autre forme d'énergie que l'énergie thermique.
4. Bilan énergétique
We = W u + QJ
Rendement: On appelle rendement d'un récepteur actif le rapport:
Remarques:
car Wu < We
<1
=
Wu
We
=>
=
Pu. t
Pe. t
=>
V. Transfert d'énergie pour un générateur
1. Loi d'ohm pour un générateur
La caractéristique UAB=f(I) d'un générateur a l'allure suivante:
Cette caractéristique est linéaire et ne passe pas par l'origine. Son équation est de la forme
UAB=a.I+b.
•
•
L'ordonnée à l'origine b a la dimension d'une tension. Cette tension est appelée force
électromotrice du générateur et est notée E.
-1
Le coefficient directeur a est négatif et s'exprime en V.A , c'est à dire en ohms. Il a
donc la dimension d'une résistance. Le coefficient directeur représente l'opposé de la
résistance interne du générateur et est noté -r.
On en déduit la loi d'ohm pour un générateur:
UAB = E - r.I
avec
UAB: Tension électrique aux bornes du générateur en volts
(V).
E: Force électromotrice du générateur en volts (V).
r: Résistance interne du générateur en ohms ( )
I: Intensité du courant traversant le générateur en ampères
(A).
2. Bilan de puissance, bilan d'énergie
D'après la loi d'ohm aux bornes d'un générateur:
UAB = E - r.I => UAB.I = (E - r.I).I
=> UAB.I = E.I - r.I2
•
•
•
UAB.I représente la puissance électrique fournie par le générateur au circuit (notée
Pe).
r..I2 représente la puissance perdue par effet Joule à l'intérieur du générateur (notée
PJ).
E..I représente la puissance totale fournie par le générateur (notée Pt).
On en déduit:
Pt = Pe + PJ
avec
Pt: Puissance totale fournie par le générateur en watts (W).
Pe: Puissance électrique fournie au circuit en watts (W).
PJ: Puissance perdue par effet Joule dans le générateur en
watts (W).