Rappel d’électricité pour les Terminale S

 

I.                  La tension électrique

 

            1) Tension électrique : une différence de potentiel électrique

 

La tension électrique noté UAB entre 2 points A et B est égale à la différence de potentiel électrique entre ces 2 points : elle s’exprime en volt (V).                                    

UAB = VA - VB  avec VA : potentiel électrique du point A en volts (V) ;  VB : potentiel électrique du point B en volts (V) ;  UAB : tension électrique entre les points A et B en volts (V)

 

Remarque :

*La tension électrique est une grandeur algébrique UAB = VA - VB = -( VB - VA) = - UBA

*Le potentiel électrique d’un point relié à la masse est par convention nulle :

VM = 0 V ; symbole :

* la tension électrique aux bornes d’un fil traversé par un courant d’intensité i est nulle.

 

2) Représentation de la tension électrique :

Une tension se représente par une flèche

 

 

 

 

 

 

 

 

3) Mesure de la tension électrique :

La tension se mesure avec un voltmètre

 

exercice  1 :la tension électrique

II) Le courant électrique

1) nature du courant électrique

Le courant électrique est un déplacement d’électrons dans le métaux et un déplacement d’ions dans les solutions. Le courant ne peut pas se déplacer dans les isolants électriques. Par convention le courant électrique se déplace dans le sens des potentiels électriques décroissants. Le sens des électrons est dans le sens inverse de celui du courant électrique.

 

2) intensité du courant électrique

L’intensité du courant électrique, notée i, est égale à la quantité de charge électrique traversant  une section de fil pendant une durée déterminée :

dq : variation infinitésimale de charge électrique en coulomb (C)

dt : variation infinitésimale de temps en seconde (s)

i : intensité du courant en ampère (A)

exercice 2 : calculer l’intensité du courant correspondant au passage de 1016  électrons en 10 ms à travers une section de fil. La charge élémentaire de l’électron est e = 1,6x10-19 C.

 

3) mesure de l’intensité du courant électrique

L’intensité du courant électrique se mesure avec un ampèremètre branché en série avec les autres conducteurs du circuit.

 

                                                         

 

 

 

 

 

 

exercice 3 : le courant électrique

III) énergie  et puissance electrique recue par un recepteur :

            1) définition d’un récepteur électrique:

Un récepteur est un appareil qui convertit l’énergie électrique qu’il reçoit en une autre forme d’énergie. Un récepteur est dit passif si toute l’énergie qu’il reçoit est convertie en énergie thermique. (conducteur ohmique) ;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 (électrolyseur et moteur)

 

            2) Energie électrique reçue :

W : énergie reçue par le récepteur (J)

                                                                       UAB : tension entre A et B (V)

  We = UAB.I. Dt                avec                         I : intensité du courant traversant le récepteur (A)

                                                                       Dt : durée d’utilisation du récepteur (s)

 

Remarque : En convention récepteur le courant « descend » les potentiels. Si I entre par le point A alors      VA › VB donc UAB › 0

                                                 

 

            3) Puissance électrique reçue :

La puissance électrique d’un appareil permet d’évaluer la rapidité avec laquelle s’effectue le transfert d’énergie électrique.

                                                                        Pe : puissance reçue par le récepteur (Watt)

  Pe = We/Dt = UAB.I        avec                            We : énergie reçue par le récepteur (J)

                                                                       Dt : durée d’utilisation du récepteur (s)

            exercice 4 

 

IV) étude de quelques récepteurs actifs ou passifs

            1) Les conducteurs ohmiques :

R : résistance du conducteur ohmique en ohms (W)

UAB = R.I                   avec                    I : intensité du courant qui le traverse (A)

                                                           UAB : tension électrique à ses bornes (V)         

 

L’effet joule est l’effet thermique associé au passage du courant dans un conducteur. Il se manifeste sous deux formes : transfert sous forme thermique et par rayonnement.

Un conducteur ohmique est un récepteur passif, toute l’énergie électrique qu’il reçoit est transformée en énergie thermique par effet Joule, noté QJ.

            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…)

 

2) Electrolyseurs et moteurs :

Loi de fonctionnement :

On modélise la caractéristique d’un électrolyseur par une droite linéaire ne passant pas par l’origine

d’équation UAB = a.I + b.

UAB = E’ + r’.I         avec

 r’ : résistance interne du récepteur en ohms (W)

I : intensité du courant qui le traverse (A)

UAB : tension électrique à ses bornes (V)         

E’ : force contre électromotrice (V)

 

 

 

Bilan énergétique et bilan de puissance :

Pe = UAB.I = r’I² + E’I : puissance électrique reçue ;   

PJ = r’I² : puissance dissipée par effet joule

Pu = E’I : puissance utile     ;    Rendement : h = Wu/We = E’I/UABI = E’/UAB
 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


V) CAS D’UN GENERATEUR :

            1) Définition :

Un générateur est un dispositif transformant de l’énergie mécanique(génératrice), chimique (pile) ou autre (rayonnement : photopile) en énergie électrique fournie à un circuit électrique. Une partie de cette énergie électrique est dissipée par effet joule.

            2) Générateurs électrochimiques : Loi de fonctionnement :

On modélise la caractéristique d’un générateur par une droite linéaire ne passant pas par l’origine d’équation .

UPN = E - r.I         avec

r : résistance interne du générateur en ohms (W)

I : intensité du courant qui le traverse (A)

UAB : tension électrique à ses bornes (V)         

E : force électromotrice du générateur (V)

 

 

 

 

           

             

             

            3) Bilan de puissance et bilan énergétique :

 Pt = Pe + PJ

 Pt : puissance électrique totale fournie par le générateur

 Pe : puissance électrique disponible aux bornes du générateur

Pj : puissance dissipée par effet joule dans le générateur

 

Remarque : si la résistance interne du générateur est négligeable alors UPN = E. Le générateur est alors appelé « générateur idéal de tension », car il n’y a pas d’énergie dissipée par effet joule

 

 

VI) Loi d’additivité des tensions, loi des noeuds

 

Le principe de conservation de l’énergie appliqué à un circuit pendant une durée Dt s’énonce ainsi :    We(générateur) = SWe(récepteur)

 

1) Circuit série : loi d’additivité des tensions

 
 


Soit le circuit ci-contre :

·         Soit We l’énergie électrique fournie au

circuit par le générateur.

·         Soit Wm l’énergie électrique consommée

par le moteur.

·         Soit WR l’énergie électrique consommée

par le conducteur ohmique.

 

Pendant une durée Dt, d’après le principe de conservation de l’énergie, on peut écrire :

We = WR + Wm    Þ UAC.I.Dt  = UAB.I.Dt + UBC.I.Dt

 

 Þ   UAC  = UAB + UBC      (loi d’additivité des tensions)

 

Remarque : on peut ainsi prévoir l’intensité du courant circulant dans un circuit série

UAC  = UAB  + UBC Þ    E – rI = RI + E’ + r’I

Þ E – E’ = r.I + R.I + r’.I

Þ E – E’ = (r + R + r’).I

 

I = (E - E’) / (R + r + r’)

 

            2) Circuit comportant des dérivations : loi des noeuds

Soit le circuit ci-contre :

·         Soit We l’énergie électrique fournie au

circuit par le générateur.

·         Soit WR1 l’énergie électrique consommée

par le conducteur ohmique R1.

·         Soit WR2 l’énergie électrique consommée

par le conducteur ohmique R2.

Pendant une durée Dt, d’après le principe de conservation de l’énergie, on peut écrire :

We = WR1 + WR2    Þ UAB.I.Dt  = UAB.I1.Dt + UAB.I2.Dt

 

Þ  I  = I1 + I2     (loi de nœuds)   

 

VII) association de résistors

 

            1) Association de conducteur ohmique en série :

Problème : Quelle est la résistance équivalente à n conducteurs ohmiques branchés en série ?

On applique la loi d’additivité des tensions :

U  = U1 + U2 + … + Un    Þ      R.I = R1.I + R2.I +… + Rn.I

 Þ       R = R1 + R2 +…+ Rn

Remarque : Dans un montage en série, Req est plus grande que la plus grande des résistances placées en série.

 

            2) Association de conducteur ohmique en dérivation :

Problème : Quelle est la résistance équivalente à n conducteurs ohmiques branchés en dérivation ?

On applique la loi des nœuds au circuit :

I  = I1 + I2 + … + In  Þ  U /R = U/R1 + U/R2 + … + U/Rn

Þ      1/R = 1/R1 + 1/R2 +…+ 1/Rn