Transferts d’énergie dans un circuit électrique

 

Transferts d’énergie dans un circuit électrique

1.Grandeurs électriques :

1.1.Intensité d’un courant électrique :

                                                I

Un courant électrique est dû à un déplacement « organisé »              
de charges électriques (les électrons libres dans les conducteurs
 métalliques et les ions dans les solutions ioniques).

L'intensité du courant se mesure avec un ampèremètre, branché en série dans la portion du circuit dont on veut mesurer l'intensité.

Par convention, le courant électrique va de la borne positive vers la borne négative, à l'extérieur du générateur.

L'intensité s'exprime en Ampère de symbole A.

1.2.Tension électrique :

AB

                                                                  U_AB

La tension électrique U_AB entre deux points d'un circuit est la différence
 de potentiel électrique entre ces deux points : U_AB = V_A – V_B .                                    

On représente une tension par une flèche dont la pointe indique
le premier indice de la tension et l'origine le deuxième indice.                                                  
 La tension U_AB se mesure avec un voltmètre, branché en dérivation entre les points A et B.

La tension électrique  s'exprime en Volt de symbole V.

1.3.Energie et puissance électriques :

L'énergie électrique reçue par un récepteur ou cédée par un générateur s’exprime : W_e=U.I.∆t

We : Energie (J)

U : Valeur de la tension entre les bornes du dipole (V)

I :Valeur  l'intensité du courant qui traverse le dipole (A)

∆t : Durée de fonctionnement (s)

La puissance électrique P_e est donnée par la relation P_e= U.I  exprimée en watt(W)

La puissance électrique P_e permet d’évaluer la rapidité d’un transfert d’énergie. C’est une caractéristique du récepteur.

2.Effet Joule :

2.1. Définition : L’effet Joule est l’effet thermique associé au passage du courant électrique  dans un conducteur ohmique (ou « résistance »).

 

                                                                     U=R.I

2.2.Puissance disspée par effet Joule : Le conducteur ohmique est un dipôle électrique qui transforme intégralement l’énergie électrique reçue en « énergie thermique ». 

 

Loi d’Ohm : U=R.I                                                                 
                                                                                              

L’énergie électrique dissipée par effet joule est :   W_th=W_J = U.I. ∆t= R I² ∆t

La puissance électrique dissipée par effet joule est :  P_th=P_J = U.I. = R I²

2.3.Utilisation de l’effet Joule :

L’effet Joule peut-être utile (chauffage électrique, fer à repasser, fours, filament d’une lampe, fusibles…) ou peut nuire au fonctionnement des circuits (pertes en lignes, détérioration de certaines composants électroniques sous l’effet d’une augmentation de température…)

 

3.Transferts d’énergie au niveau d’un récepteur.

3.1.Définition : Un récepteur électrique est un appareil qui convertit l’énergie électrique qu’il consomme en d’autres formes d’énergie.

3.2. Exemples :

Récepteur	Energie consommée	Energie fournie	Dipoles passifs
Radiateur	We	Wth
Lampe	We	Wr
		Wth
Moteur	We	Wm	Dipoles actifs
		Wth
Electrolyseur	We	Wch
		Wth

 

3.3. LES RECEPTEURS ACTIFS ( Electrolyseurs et moteurs )

 

a.Loi de fonctionnement d’un récépteur actif : : On modélise la caractéristique d’un moteur (ou électrolyseur) par une droite linéaire ne passant pas par l’origine d’équation U_AB = E’ + r’.I    

r’ : résistance interne du récepteur en ohms (W)    E’ : force contre électromotrice (V)

b. Bilan énergetique

W_e=W_u+W_th

We= U_AB.I.∆t : Energie électrique reçue

Wu=E’.I. ∆t : Energie utile
(mécanique pour le moteur et chimique pour l’électrolyseur)

W_th=r’.I². ∆t :Energie thermique dissipée par effet Joule

c. Rendement :  ρ = W_u/W_e = E’I/U_ABI = E’/U_AB

4.Transfert d'énergie au niveau d'un générateur

4.1.  Définition : Un générateur électrique est un dispositif qui transforme de l'énergie mécanique, chimique ou autre en énergie électrique.

4.2. Exemples

Générateur	Energie consommée	Energie fournie
la pile électrochimique (pile)	énergie chimique :Wch	We : énergie électrique
		Wth : énergie thermique
la génératrice de bicyclette (ou dynamo)	énergie mécanique :Wm	We
		Wth
la photopile	énergie rayonnante :Wr	We
		Wth

 

4.3. Loi de fonctionnement d'un générateur :

U_PN=E – r.I                                                   

U_PN : Tension aux bornes du générateur(V)

E : force électromotrice (V)                                                             

r : résistance interne (Ω)

4.4. Bilan énergétique et rendement  :

W_T=W_e+W_th                                                                  

We=U_PN .I .∆t :  est l'énergie électrique fournie au circuit
par le générateur

Wth= : r.I ² .∆t : est l'énergie dissipée par effet Joule.

W_T= E.I .∆ t : est l'énergie totale( mécanique ou chimique) consommée
 par le générateur pour produire l'énergie électrique.

Rendement du générateur : ρ=We/W_T=U_PN/E=(E-r.I)/E

 4.5.Rendement global d'un circuit simple

Considèrons un circuit électrique simple comportant un gnérateur branché en série avec un électrolyseur:

On définit le rendement de ce circuit par la relation :

On remarque que ρ=ρ_{G .} ρ_E               

ρ_G rendement du générateur  et ρ_E rendement de l’électrolyseur

L'énergie dissipée par effet Joule dans le circuit est PJ=W_th(r)+W_th(r’)=(r + r’).I²

 

 

 

 

 

 

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