Generateurs et recepteurs

Chapitre 2 Energie électrique Leçon 1 Générateurs et récepteurs
Chapitre II. ENERGIE ELECTRIQUE
Remarques
1. Dans le système international (S.I.)l'unité d'énergie est le joule (J). Mais l'énergie
électrique est souvent exprimée en kilowattheure (kWh)
1 kwh = 3600 J
2. Ne pas confondre : W le symbole de l'énergie qui s'exprime en J ou en kWh et W le
symbole de l'unité de puissance, le watt
3. Quand on exprime une puissance bien préciser :
- sa nature (électrique, mécanique, chimique …)
- si elle est consommée ou fournie
- le dipôle qui consomme ou fournit la puissance (générateur, conducteur ohmique,
moteur …)
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Leçon 1 . GENERATEURS ET RECEPTEURS
Questions à Choix Multiples
1. Dans le système international d'unités, quelle est l'unité d'énergie électrique ?
a. Ampère (A) ; b. Hertz (Hz) ; c. Joule (J) d. Watt (W)
2. Ton climatiseur consomme 1500W. Evalue son coût d'utilisation (900 riels/kWh) pour le
mois de novembre s'il a fonctionné en moyenne deux heures par jour .
a. 2400 riels ; b. 81000 riels ; c. 108 000 riels ; d. 480 000 riels
3. Une lampe de 40W reste allumée de 19h à 21h. Quelle quantité d'énergie est consommée ?
a. 0,08 J ; b. 80 J c. 288 J ; d. 80 Wh
4. Qu'est-ce que l'effet Joule ?
a. c'est la perte de puissance électrique due à la résistance dans un conducteur.
b. c'est la variation de la résistance en fonction de la température
c. c'est la perte d'énergie électrique due à la diminution de résistance dans un conducteur
d. c'est la chute de tension qui se produit dans un résistor parcouru par un courant électrique
5. La Compagnie d'électricité du Cambodge a choisi de transporter l'électricité au moyen de
lignes à haute tension :
a. parce que le courant sous haute tension coûte moins cher à produire
b. parce que le courant est plus rapide sous haute tension
c. pour diminuer l'effet Joule
d. parce que ces lignes ont peu d'impact sur l'environnement
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Chapitre 2 Energie électrique Leçon 1 Générateurs et récepteurs
6. Quel est l'équivalent de 0,5kJ en Wh ?
a. 1 800 000 Wh ; b. 0,50 Wh ; c. 500 Wh ; d. 0,14 Wh
7. Un radiateur porte l'inscription suivante : 120 V, 600 W. Quelle est l'énergie consommée en
deux heures ?
a. 600 J ; b. 1200 J ; c. 864 000 Wh ; d. 1200 Wh
8. On monte plusieurs piles en série. Que peut-on dire de la tension résultante ?
a. elle est égale à la somme des tensions des différentes piles
b. elle est égale à la tension de la pile la plus puissante
c. elle est égale à la moyenne des tensions des différentes piles
d. elle est inférieure à la somme des tensions des différentes piles
9. La plaque signalétique d'un sèchoir à cheveux porte les indications suivantes : 120V,
1000W. Quelle est l'énergie consommée en kWh pendant 30 minutes ?
a. 0,5 kWh ; b. 1 kWh ; c. 30 kWh ; d. 500 kWh
_______________________
Réponses :
1. c
2. b énergie consommée ; W = P.∆t ; ∆t = 30 × 2 = 60 h ; P = 1,5 kW ; W = 1,5 × 60
W = 90 kWh ; prix = 900 × 90 = 81 000 riels
3. d énergie consommée ; W = P.∆t ; ∆t = 2h ; W = 40 × 2 = 80 Wh
4. a
5. c
6. d 1 Wh = 3600 J ; 0,5 kJ = 500 J = 3600
500 = 0,14 Wh
7. d
8. a
9. a 30 min = 0,5 h et 1000 W = 1 kW W = 0,5 kWh
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Chapitre 2 Energie électrique Leçon 1 Générateurs et récepteurs
Exercice 1 : Moteur à courant continu
Un petit moteur électrique, récupéré dans un vieux jouet d'enfant, est monté en série avec un
conducteur de résistance R = 4 Ω, une pile de f.é.m. E = 4,5 V de résistance interne r = 1,5 Ω,
un ampèremeètre de résistance négligeable et un interrupteur K.
1. Faire un schéma du montage
2. Lorsqu'on ferme l'interrupteur, le moteur se met à tourner et l'ampèremètre indique un
courant d'intensité I = 0,4 A.
En déduire une relation numérique entre la f.c.é.m. E' du moteur et sa résistance
interne r'.
3. On empêche le moteur de tourner et on note la nouvelle valeur de l'intensité I' = 0,7 A.
En déduire les valeurs numériques de r' et de E'.
4. Déterminer pour 5 minutes de fonctionnement du moteur :
- l'énergie W1 fournie par la pile au reste du circuit.
- l'énergie W2 consommée dans le conducteur ohmique.
- l'énergie utile W3 produite par le moteur.
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1. Schéma du montage :
2. La tension U délivrée par le générateur est : U = E – rI
la tension U est délivrée au moteur en série avec le conducteur ohmique :
U = E' + r'I + RI
E – rI = E' + r'I + RI E' + r'I = E – (R+r)I
Application numérique : E' + 0,45 r' = 4,5 – (4 + 1,5) × 0,45
E' + 0,45 r' – 2,025 = 0 (1)
M
R
E, r'
U
E
,
r
I
3. On empêche le moteur de tourner : E' = 0 et I' = 0,7 A
La tension aux bornes du générateur devient : U' = E – rI'
E – rI' = (r' + R)I' )Rr(
'I
E
'r +−=
A.N. : r' = )5,14(
7,0
5,4 +− r' = 0,9 Ω
On reprend la relation (1) : E' = 2,025 – 0,45r' E' = 2,025 – 0,5×0,93
E' = 1,6 V
4. Energie fournie par le dipôle au reste du circuit : W1 = U I ∆t U en volts, I en
ampères , ∆t en secondes et W1 en joules
W1 = (E-rI) I ∆t W1 = (4,5 – 1,5 × 0,45) x 0,45 × 5 × 60 W1 =516 J
Energie consommée dans le conducteur ohmique : W2 = R I2 ∆t R en ohms, I en
ampères, ∆t en secondes et W2 en joules
W2 = 4×0,452 × 5 × 60 W2 = 243 J
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Energie utile produite par le moteur W3 = E I ∆t
W3 = 1,6 × 0,45 × 5 × 60 W3 = 216 J
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Exercice 2 : Batterie au plomb (générateur)
Une batterie au plomb a une f.é.m. E = 24 V et une résistance interne r = 0,21 Ω. Sa
capacité est Q = 175 Ah. Elle alimente le circuit électrique d'un camion immobilisé les
phares allumés : l'intensité du courant circulant alors vaut I = 12 A.
1. Calculer la durée au bout de laquelle la charge de la batterie devient égale à Q
10
9 .
2. Calculer la valeur de l'énergie chimique convertie par la batterie dans ces conditions.
3. Calculer l'énergie dissipée par effet Joule dans la batterie.
4. Calculer le rendement énergétique de ce générateur.
________________________
1. La charge de la batterie passe de la valeur Q à la valeur Q' = Q
10
9 pendant la durée ∆t.
La quantité d'électricité qui a traversé le circuit pendant cette durée est Q – Q' = I ∆t
∆t = I
Q
10
9
Q
I
'QQ −
=
− I10
Q
t=∆ ∆t en heures, Q en ampèreheures et I en
ampères
A.N. : ∆t = 1210
175
× ∆t = 1,46 h
2. Wc énergie chimique convertie par la batterie pendant ∆t : Wc = E I ∆t
Wc = E (Q-Q') Wc = E 10
Q E en V, Q en Ah, Wc en Wh
A.N. : Wc = 10
175
24× Wc = 420 Wh
3. WJ énergie dissipée par effet Joule dans la batterie : WJ = r I2 ∆t
or I ∆t = Q – Q' = 10
Q 10
Q
IrWJ= r en Ω, I en A, Q en Ah et WJ en Wh
WJ = 0,21 × 12 × 10
175 WJ = 44,1 Wh
4. Rendement énergétique : 5,89
420
1,44420
W
WW
c
Jc =η
−
=η
−
=η %
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Exercice 3 : Démarrage d'un moteur d'automobile (récepteur)
Une automobile possède une batterie d'accumulateurs 12V, 42 Ah. On actionne pendant
5s le démarreur dont la puissance est de 1000 W.
1. Calculer l'intensité débitée par la batterie.
2. Calculer la quantité d'électricité ayant circulé lors du fonctionnement du démarreur.
3. Quel est le nombre maximal d'essais de démarrage réalisables dans ces conditions ?
___________________________
1. Puissance électrique consommée par le démarreur : P = U I U en V, I en A, P en W
U
P
I= I = 12
1000 I = 83,3 A
2. Le démarreur fonctionne pendant ∆t = 5 s
Quantité d'électricité ayant circulé : Q = I ∆t I en A, ∆t en heures, Q en Ah
t
U
P
Q∆= 3600
5
12
1000
Q×= = 0,116 Q = 0,12 Ah
3. nombre maximal d'essais de démarrage : n = Q
C C capacité de la batterie en Ah
Q en Ah
n =
116,0
42 n = 362 démarrages
Exercice 4 : Batterie alimentant une électropompe
Une batterie d'accumulateurs a une capacité Q = 105Ah et une f.é.m. E = 12 V; sa résistance
interne est négligeable. Cette batterie alimente une électropompe de puissance P = 45 W.
1.Calculer le temps pendant lequel l'électropompe peut fonctionner sans que la batterie soit
rechargée.
2. La pompe transporte de l'eau sur une hauteur h = 45m avec un débit de 135 L.h-1.
Calculer le rendement énergétique de l'électropompe.
Donnée : g = 10 N.kg-1
________________________
1. Soit ∆t le temps de fonctionnement de l'électropompe.
énergie que peut fournir la batterie : EB = E Q
énergie consommée par la pompe : E0 = P ∆t
la résistance de l'électropompe est négligeable : l'énergie fournie par la batterie est
entièrement consommée par l'électropompe : E Q = P ∆t
P
QE
t=∆ ∆t en h, Q en Ah, E en V , P en W ∆t = 45
10512× ∆t = 28 heures
2. Travail fourni pour élever l'eau : W = m g h
m = 135 kg en 1 heure ; W en J
50