Tp de physique 7 : BILAN ENERGETIQUE DANS UN CIRCUIT

ELECTRODYNAMIQUE, chap. 6
Tp de physique 7 : TRANSFERTS D'ENERGIE DANS UN CIRCUIT ELECTRIQUE I- énergie électrique reçue par un récepteur. 1. Des transferts d'énergie électrique dans les circuits
Lorsqu'un circuit électrique comportant une lampe, un moteur et un
électrolyseur est sous tension, on remarque que la lampe brille, le moteur
tourne et des réactions chimiques se produisent sur les électrodes de
l'électrolyseur.
L'énergie électrique, fournie par le générateur, est donc convertie :
. en transfert thermique et en rayonnement dans la lampe ;
. en travail mécanique dans le moteur ;
. en énergie chimique dans l'électrolyseur. La lampe, le moteur et l'électrolyseur sont des récepteurs.
D'après le principe de conservation de l'énergie, l'énergie électrique
reçue par les récepteurs leur a été nécessairement fournie par le
générateur. 2. Expression de la puissance électrique reçue.
En courant continu, la puissance électrique P reçue par le récepteur est
égale au produit U.I de la tension appliquée U et de l'intensité I du
courant. 3. Algébrisation de la tension.
Selon le branchement du voltmètre, la tension mesurée est positive ou
négative. Si les bornes du voltmètre sont borne V sur A et borne COM sur B,
alors par convention, le voltmètre mesure la tension UAB. La tension UAB aux bornes d'un récepteur correspond à la différence de
potentiel VA - VB. on la représente par un segment fléché, la pointe de la
flèche dirigée vers la borne A. La tension est une valeur algébrique : UAB = VA - VB = - (VB - VA) = - UBA.
Lorsqu'un récepteur, de bornes A et B, est traversé par un courant de A
vers B, d'intensité I, la tension UAB est positive et la puissance
électrique qui est transférée au récepteur est :
P = UAB.I avec P en watt (W), U en volt (V) et I en ampère (A). 4. Expression de l'énergie électrique reçue. L'énergie électrique transférée au récepteur pendant la durée ?t
est :
We = P .?t soit We = UAB.I.?t, avec UAB = VA - VB > 0
avec We en joule (J), UAB en volt (V), I en ampère (A) et ?t en
seconde (s) La puissance électrique reçue par un récepteur caractérise la rapidité du
transfert d'énergie électrique. Elle correspond à l'énergie transférée au
récepteur chaque seconde. En électricité, on utilise très souvent le kilowattheure (kWh) comme unité
d'énergie électrique. Avec P en kilowatt et ?t en heure, on exprime We en
kilowattheure (kWh).
Si UAB est en volt, I en ampère et ?t en heure, We est mesurée en wattheure
(Wh).
Quel bilan énergétique peut-on effectuer pour chaque dipôle ?
5. Qu'est-ce que l'effet Joule ?
Lorsqu'une lampe brille, elle devient rapidement brûlante. Lorsqu'un moteur
fonctionne, il s'échauffe. Dans tous ces cas une partie de l'énergie
électrique est transférée à l'extérieur sous forme de transfert thermique.
Ce transfert thermique est appelé effet Joule du nom du physicien anglais
qui l'a étudié vers 1860.
On se limitera, dans cette partie, à l'étude de l'effet Joule dans les
conducteurs ohmiques. 6. Bilan énergétique d'un conducteur ohmique.
Dans une branche de circuit, l'introduction d'un conducteur ohmique, appelé
couramment résistance, permet de diminuer l'intensité du courant qui y
circule. a. Loi de fonctionnement (loi d'Ohm).
La loi de fonctionnement peut être établie en exploitant la courbe donnant
l'évolution de UAB, en fonction de I, appelée aussi caractéristique du
conducteur ohmique.
La tension UAB aux bornes d'un conducteur ohmique de résistance R, traversé
de A vers B par un courant d'intensité I, est donnée par :
UAB = R.I
Dans le système international des unités, UAB est en volt (V), I en ampère
(A) et R en ohm (?). b. Bilan énergétique.
La puissance électrique reçue par un conducteur ohmique s'écrit :
P = UAB.I = R.I2 = UAB2 / R
De même, l'énergie reçue par un conducteur ohmique s'écrit :
We = R.I2.?t = (UAB2 / R).?t . Toute l'énergie électrique We reçue par un conducteur ohmique est
transmise au milieu extérieur sous forme de transfert thermique Q et
d'énergie rayonnante WR. Cette conversion est appelée effet Joule et
l'énergie mise en jeu est notée WJ. On obtient ainsi : We = WJ soit WJ =
R.I2.?t
. La puissance mise en jeu par effet Joule, appelée parfois puissance
Joule Pj, s'écrit : Pj = R.I2 Discussion sur les avantages et inconvénients...
7. Bilan énergétique d'un récepteur (électrolyseur ou moteur).
Les moteurs et électrolyseurs s'échauffent lorsqu'ils fonctionnent. Une
partie de l'énergie est dissipée par effet Joule ; ces récepteurs ont en
effet une résistance interne r. a. Loi de fonctionnement.
. Réaliser le montage ci-contre :
. Remplir le tableau ci-dessous :
|UAB (V)| | | | | | |
|I (A) | | | | | | |
. Tracer le graphe de la fonction UAB = f(I), c'est la caractéristique de
l'électrolyseur.
. Quelle est l'allure du graphe tracé ? Quelle est donc la nature de la
fonction UAB = f(I) ? Dans son domaine de fonctionnement habituel, la tension UAB aux bornes d'un
moteur ou d'un électrolyseur, parcouru par un courant d'intensité I entrant
par sa borne A, est donnée par :
UAB = E + r.I avec UAB et E en volt (V), r en ohm (?) et I en ampère (A).
E et r sont des grandeurs caractéristiques du récepteur :
. E est la force électromotrice (notée f.é.m), exprimée en volt
. r est la résistance interne du récepteur, exprimée en ohm. A l'aide du graphique :
. Déterminer la f.é.m du récepteur : E =
. Déterminer la résistance interne du récepteur : r = b. Bilan énergétique.
Multiplions les deux membres de l'équation UAB = E + r.I par le terme I.?t,
on obtient :
UAB.I.?t = (E + r.I)I.?t = E.I.?t + r.I2.?t Quelle est la signification de chaque terme ?
. UAB.I.?t représente l'énergie électrique We reçue par le dipôle
. r.I2.?t est l'énergie Joule WJ dissipée par le récepteur
. E.I.?t est l'énergie pouvant être convertie en partie en énergie
mécanique Wu (moteur) ou chimique Wch (électrolyseur).
Le bilan énergétique pour un électrolyseur s'écrit : We = Wch + WJ. 8. Bilan énergétique d'un générateur. a. Loi de fonctionnement.
. Réaliser le montage ci-contre :
. Remplir le tableau ci-dessous :
|UPN | | | | | | |
|(V) | | | | | | |
|I (A) | | | | | | |
. Tracer le graphe de la fonction UPN = f(I), c'est la caractéristique de
la pile.
. Quelle est l'allure du graphe tracé ? Quelle est donc la nature de la
fonction UPN = f(I) ? La tension UPN aux bornes d'un générateur, débitant un courant d'intensité
I sortant par sa borne P, est donnée par :
UPN = E - r.I avec UPN et E en volt (V), r en ohm (?) et I en ampère (A).
E et r sont des grandeurs caractéristiques du générateur :
. E est la force électromotrice (notée f.é.m), aussi appelée tension à
vide car elle est égale à la tension aux bornes du générateur lorsque
la pile ne débite pas de courant.
. R est la résistance interne du générateur. A l'aide du graphique :
. Déterminer la f.é.m de la pile : E =
. Déterminer la résistance interne de la pile : r = b. Bilan énergétique.
Multiplions les deux membres de l'équation UAB = E - r.I par le terme I.?t,
on obtient :
UAB.I.?t = (E - r.I)I.?t = E.I.?t - r.I2.?t soit E.I.?t = UAB.I.?t +
r.I2.?t Quelle est la signification de chaque terme ?
. UPN.I.?t est l'énergie électrique We disponible aux bornes du
générateur pouvant être utilisée par les autres dipôles du circuit
. r.I2.?t est l'énergie Joule WJ dissipée dans le générateur
. E.I.?t représente l'énergie électrique totale WT du générateur.
Le bilan énergétique pour un générateur s'écrit : WT = We + WJ.
Seule l'énergie We est transférée au circuit électrique.
Dans un générateur électrochimique, comme la pile vue précédemment, le
terme E.I.?t correspond à l'énergie chimique convertie en énergie
électrique.