Récepteurs et générateurs électriques
A / 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.
Remarque : La tension électrique est une grandeur algébrique:
UAB =
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.
B / Transfert d'énergie dans un récepteur
1 / Exemples
Exemple 1 :
Soit le circuit ci-dessus. 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.
Donc :
Exemple 2 : Dans l'exemple suivant (image ci-dessous), lorsque l'interrupteur est fermé, le moteur soulève la charge m.
e
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.
D'autre part, le moteur reçoit de l'énergie de la part du générateur.
Donc :
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 / Énergie 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 Dt de son utilisation.
Remarque : convention récepteur : le courant "descend" les potentiels ( U et I opposé en sens ).
4 / Puissance électrique reçue
Définition :
On appelle puissance électrique reçue par une récepteur la quantité :
Remarques :
Pe =
La puissance électrique permet d'avoir une idée de la rapidité du transfert d'énergie électrique.
C / 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.
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.
Donc :
On en déduit que:
Remarque : Il est évident que :
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 électrique, 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
D / 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'.
Le coefficient directeur a s'exprime en V.A-1, 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 :
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 / Énergie 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
Rendement :
On appelle rendement d’un récepteur actif le rapport :
Remarques :
E / 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.
Le coefficient directeur a est négatif et s'exprime en V.A-1, 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 :
2 / Bilan de puissance, bilan d'énergie
D'après la loi d'ohm aux bornes d'un générateur :
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 :
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