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L'énergie électrique
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Introduction :
Nous utilisons l’énergie électrique tous les jours, pour nous éclairer, pour alimenter nos ordinateurs et tablettes, ou encore pour faire fonctionner nos automobiles électriques.
Dans ce cours, nous allons rappeler les grandeurs électriques qui définissent un courant électrique.
Nous présenterons ensuite la notion de résistance électrique pour définir une source de tension réelle et étudierons le principal effet d’une résistance électrique : l’effet Joule.
Rappel sur les grandeurs électriques
Un courant électrique est défini par un ensemble de paramètres spécifiques que nous allons rappeler ici.
Tension électrique
Nous nous intéresserons ici à la tension en régime stationnaire, c’est-à-dire indépendant du temps.
Une définition plus générale de la tension électrique, valable pour un circuit en régime variable, requiert des connaissances mathématiques plus poussées que celles d’un lycéen, aussi nous contenterons-nous pour l’instant de la définition ci-dessous.
Tension électrique :
En régime stationnaire, la tension électrique, notée , est la différence de potentiel électrique entre deux points différents du circuit.
Elle s’exprime en volts ().
Potentiel électrique :
Aussi appelé énergie potentielle électrostatique, c’est la quantité de travail nécessaire pour déplacer une charge électrique d’un point à un point .
Par convention, en France, on représente la tension électrique allant de la borne négative à la borne positive.
Intensité électrique
La deuxième grandeur électrique à connaître, surtout pour différencier les courants inoffensifs des courants mortels, est l’intensité électrique.
Intensité électrique :
L’intensité électrique, notée , est une mesure de la quantité de charges électriques transitant dans le circuit par unité de temps. Typiquement, dans un circuit électrique à base de fils métalliques et de composants électriques, les porteurs de charge mis en jeu sont des électrons.
Cette grandeur s’exprime en ampère (), un courant de correspondant à un débit de coulomb par seconde ().
Une intensité de peut paraître faible. Mais n’oublions pas que la valeur absolue de la charge électrique d’un électron est de .
Par convention, l’intensité est représentée allant de la borne positive à la borne négative.
Résistance
Les composants électriques ne laissent pas passer le courant électrique sans s’y opposer. Il en résulte un paramètre nommé résistance électrique.
Résistance :
La résistance électrique d’un composant quantifie son aptitude à s’opposer à un courant électrique.
La résistance électrique est donnée par la loi d’Ohm :
Une résistance électrique s’exprime en ohm ().
Puissance
Un composant électrique soumis à une différence de tension est parcouru par une intensité . Chaque électron ayant une énergie potentielle, il y a donc un débit d’énergie qui traverse le composant, c’est-à-dire une puissance.
Puissance :
La puissance électrique, notée , est le débit d’énergie traversant un composant par unité de temps.
La puissance est donnée par la relation :
Elle s’exprime, comme toutes les puissances, en watt ().
Conséquences de la présence d’une résistance électrique
Le phénomène de résistance électrique présente plusieurs conséquences qui sont :
Source de tension réelle
Jusqu’ici, vous avez été confrontés à la notion de source de tension idéale. Ce modèle mathématique n’existe qu’en tant que concept, comme nous allons le voir ci-dessous.
Source de tension idéale :
Une source de tension idéale délivre une tension constante, qui est indépendante du courant débité : , avec la force électromotrice.
Source de tension réelle :
Une source de tension réelle est constituée d’un assemblage d’une source de tension idéale, de force électromotrice , en série avec une résistance interne, c’est-à-dire la résistance que le générateur oppose à son propre courant, notée .
Lorsqu’un composant électrique est branché en série de la source de tension et que le circuit est parcouru par une intensité , cette source fournit au circuit une tension , inférieure à la force électromotrice , qui vérifie la relation :
Considérons un générateur de force électromotrice égale à et de résistance interne égale à débitant dans un circuit une intensité de .
Effet Joule
Tout conducteur (ou composant) parcouru par un courant électrique dégage de la chaleur. Ce phénomène est notamment mis en application dans les radiateurs électriques.
Effet Joule :
L’effet Joule est la dissipation d’énergie sous forme thermique qui se produit au sein d’une résistance électrique de valeur .
La puissance dissipée est la puissance fournie à la résistance caractérisée par une différence de tension vérifiant la loi d’Ohm :
Considérons une résistance traversée par une intensité durant .
Bilan de puissance d’un circuit électrique
Nous allons ici aborder le circuit électrique du point de vue de la puissance fournie et de la puissance consommée.
Puissance fournie par le générateur
Un générateur électrique fournit une intensité et une tension .
Cette puissance se présente comme la différence de la puissance générée et de la puissance dissipée par effet Joule.
Puissance consommée par un composant électrique
Un composant électrique traversé par une intensité et présentant une différence de potentiel consomme une puissance :
Rendement d’un circuit électrique
Comme nous l’avons vu, il y a toujours des pertes d’énergie sous forme thermique dues à l’effet Joule. Par conséquent, nous pouvons définir un rendement du circuit.
Rendement :
Le rendement est une grandeur, généralement exprimée en pourcentage et notée , qui quantifie les pertes d’un système en définissant le rapport de ce qui est produit et recherché par ce qui est effectivement consommé.
Le rendement est défini comme le rapport de la puissance utile, c’est-à-dire effectivement utilisable pour le travail recherché, sur la puissance absorbée :
Considérons un générateur électrique alimentant un moteur électromécanique fournissant un travail mécanique.
Typiquement, on va considérer un moteur de grue électrique pour enfant qui va servir à élever une charge d’une hauteur en .
Pour cela le moteur est alimenté par une source réelle de tension de force électromotrice et de résistance interne . De plus, notre moteur doit être alimenté par une tension pour fonctionner.
Conclusion :
Nous avons rappelé ensemble les grandeurs caractéristiques d’un circuit électrique.
Nous avons également vu la notion de résistance électrique et sa principale conséquence : la dissipation d’énergie sous forme thermique.
Ce phénomène peut présenter des avantages pour réaliser un thermostat, mais constitue un inconvénient à prendre en compte pour la réalisation de systèmes de production et de transport d’énergie.