Aspects énergétiques des phénomènes électriques – Bac de Physique-Chimie

Tu as surement déjà entendu parler des notions de courant, d’intensité du courant, de tension et même de puissance électrique. Mais qu’est-ce que cela signifie réellement ?

 

Qu’est-ce que le courant électrique ?

Le courant électrique est un débit de charges qui circulent. L’intensité est comparable à un débit d’eau qui circule dans un tuyau.

L’ intensité est égale à la dérivée de la charge q en fonction du temps et se mesure en Ampère.

C’est en quelque sorte le nombre de charges par unité de temps.

 

Pour que les charges se déplacent, il faut qu’il y ait conduction électrique. Cette conduction se fait grâce à des porteurs de charge qui vont comme leur nom l’indique porter, posséder une charge électrique c’est à dire des électrons.

On retrouve plusieurs types de porteurs de charges :

Dans une solution ce sont les ions qui vont porter des charges positives (cations) ou négatives (anions) et leur déplacement va faire émerger un courant

Dans un fil électrique ou tout autre matériau métallique ce sont des électrons qui vont se déplacer et créer un débit de charges

 

Qu’est-ce qu’une source de tension continue ?

Une tension est une différence de potentiel entre deux points du circuit. C’est cette différence de potentiel qui va faire émerger un courant électrique.

En plaçant une source de tension dans le circuit , c’est à dire un générateur on impose une tension et donc un courant électrique.

Si on compare notre circuit électrique avec un circuit où circule de l’eau : l’intensité électrique est un débit de charges, comme le débit d’eau dans le circuit. Le potentiel c’est la hauteur de l’eau. Quand le potentiel diminue d’un point à l’autre du circuit, comme quand l’eau descend vers le sol, on crée un mouvement de l’eau, et une différence de potentiel, que l’on appelle tension.

Si l’eau peut descendre, elle peut aussi remonter à l’aide d’une pompe par exemple. En électricité, il faut un générateur dans notre circuit qui apporte du potentiel.

                 

Source de tension réelle                                                                 Source de tension idéale

Le modèle d’une source de tension idéale est un composant délivrant une tension constante E et rien d’autre au circuit. En réalité, il n’existe aucune source idéal car il y a toujours une résistance interne dans un générateur due aux composants du générateur.

Si on prend en compte cette résistance notée r, on modélise alors une source de tension réelle. Sur un schéma électrique, on note une source de tension idéale en série avec la résistance.

On a alors que la tension U de la source de tension réelle est U = E – r.i

En effet , la résistance est en convention récepteur et la source idéale en convention générateur d’où le -.

Ainsi, la tension n’est pas constante mais diminue quand i augmente. On peut alors chercher à diminuer r pour rendre la tension plus constante lors de la conception du générateur.

Etudions maintenant les caractéristiques de ces deux sources :

On rappelle que la caractéristique est le graphe de U en fonction de I.

  

 

On voit en effet que la tension va diminuer quand l’intensité augmente sur une source réelle et rester constante pour une source idéale. 

La pente de la droite pour une source réelle est égale à la valeur de la résistance interne.

 

Qu’est-ce que la puissance de l’énergie électrique ?

Comme tu le sais peut-être, l’électricité est source d’énergie que l’on appelle énergie électrique.

La Puissance est souvent utilisée pour caractériser l’énergie dans un système électrique car elle représente un débit d’énergie, c’est à dire une quantité d’énergie reçue ou produite par unité de temps.

 

Donc,

P = E/T

L’énergie se mesure en Joules (J)

La puissance s’exprime en Watt (W) (1 Watt = 1Joule/s)

En pratique, la puissance électrique permet notamment de caractériser la quantité d’énergie nécessaire pour faire fonctionner un appareil pendant une certaine durée.

Par exemple une Led a une puissance nécessaire de 5 W , il en faudra alors 20 pour consommer autant qu’une télé pendant la même durée car celle-ci a une puissance d’environ 100 W.

Les appareils électroménagers ont une puissance allant de 100 à 1000W  environ.

Si la puissance est positive en convention récepteur alors le dipôle est bien un récepteur et reçoit de la puissance.

Si la puissance est positive en convention générateur alors le dipôle est bien un générateur et fournit de la puissance au circuit.

Si la puissance est négative en convention récepteur, le dipôle est en fait générateur.

Si la puissance est négative en convention générateur, le dipôle est en fat récepteur.

L’énergie se mesure en Joules (J)

 

Comment faire un bilan de puissance ?

C’est très simple, faire un bilan de puissance, c’est dire que la somme des puissances fournies par les dipôles du circuit est égale à la somme des puissances reçues par le circuit.

Par exemple, si un circuit est constitué d’un générateur, d’une télévision et d’une résistance alors, la puissance fournies par le générateur est égale à la somme de la puissance dissipée par la télévision et la puissance dissipée par la résistance par effet Joule.

 

Mais qu’est-ce que l’effet Joule ?

Les conducteurs ohmiques vont être modélisés par des résistances.

On a alors U = Ri

D’où P = U.I devient P =equation.pdf

Cette puissance dissipée dans la résistance va être converties intégralement en énergie thermique : c’est l’effet Joule.

L’effet Joule est le phénomène physique dont on se sert couramment pour chauffer un grille pain ou un radiateur par exemple.

Le fait que dans tous les dipôles réels il existe une résistance interne explique le fait qu’il existe un effet Joule dans tous les appareils électriques, cela peut expliquer pourquoi un appareil électrique chauffe. Cette énergie thermique dissipée n’étant parfois pas utile au fonctionnement de l’appareil on la qualifie de pertes.

 

Les convertisseurs électriques

Un convertisseur est un système permettant de convertir une énergie d’un certain type en une énergie d’un autre type.

Par exemple une lampe convertit de l’énergie électrique ( reçue) en une énergie lumineuse (fournie).

Un radiateur lui convertit de l’énergie électrique en énergie thermique.

Une pile convertit de l’énergie chimique en énergie électrique.

Un moteur convertit de l’énergie électrique en énergie mécanique.

Seulement, dans ces conversions d’énergie il va y avoir des pertes, souvent par effet Joule qui vont dissiper de la chaleur, c’est pour cela que l’on introduit la notion de rendement.

 

Le rendement

Le rendement va permettre de juger la qualité d’un convertisseur en prenant en compte les pertes. Plus le rendement est grand plus les pertes sont faibles. 

Il va être égal au quotient de la Puissance utile sur la puissance nécessaire. On le note souvent η  (eta)

La puissance utile c’est ce que l’on cherche à produire, la puissance lumineuse dans une lampe.

La puissance nécessaire c’est celle que l’on a initialement, en entrée du convertisseur, celle que l’on consomme.

Par exemple lorsque l’on allume une lampe grâce à un générateur, on va dissiper de l’énergie par effet Joule. Donc la puissance utile sera égale à la puissance fournie par le générateur moins la puissance dissipée par la résistance.

Comme on fournit plus d’énergie que l’on n’en produit, le rendement est toujours un nombre entre 0 et 1. SI le rendement vaut 0, on n’a produit aucune puissance utile, le convertisseur est inutile. Si le rendement vaut 1, le convertisseur est parfait et toute la puissance en entrée est convertie en puissance utile. En pratique, le but d’un convertisseur est de produire le plus de puissance utile. On cherche donc des convertisseurs avec le meilleur rendement possible, proche de 1, même si en pratique il n’existe pas de convertisseur parfait avec un rendement exactement égal à 1.

 

Conclusion sur l’énergie électrique

Il est important de retenir qu’il est impossible d’effectuer une conversion énergétique sans qu’il y ait de pertes mais qu’une fois le système bien modélisé, il n’est pas compliqué de les estimer.

 

À retenir sur le courant électrique

L’intensité i d’un courant électrique, c’est le débit des porteurs de charges (électrons, ions, etc.)

i = dq/dt

La tension électrique U, c’est la différence de potentiel entre deux points du circuit.

On modélise un générateur réel vae un générateur idéal de tension E en série avec une résistance interne r, on a alors Uréel = E – ri

La Puissance en Watt c’est l’énergie consommée ou produite par unité de temps, donc P = E/T. En électrique, P = UI

La puissance dissipée par effet Joule vaut P = Ri², l’énergie électrique fournie au dipôle est transformée en partie en chaleur.

Un convertisseur est un système qui convertit un type d’énergie en une autre (électrique vers lumineux, chimique vers électrique, etc.)

Le rendement η  pastedGraphic.png d’un convertisseur est une valeur entre 0 et 1 qui indique à quel point un convertisseur est efficace pour passer d’un type d’énergie à une autre.

 

N’hésitez pas à poursuivre vos révisions en consultant d’autres fiches de physique-chimie !