Chapitre 13 : Aspects énergétiques de phénomènes électriques

▶️ Capsule : Le cours complet

I - Charges et courant électrique

A savoir

1. Les porteurs de charge

Un porteur de charge est une particule portant une charge électrique positive ou négative libre de se déplacer dans un milieu conducteur :

• les électrons libres dans les métaux
• les ions (cations et anions) dans les solutions conductrices.

Tout porteur de charge a une charge électrique multiple de la charge électrique élémentaire \(e =1,602×10^{–19}C\).

2. Débit de charges et courant électrique

▶️ Capsule : Intensité du courant

Quand on soumet un métal ou une solution à une tension électrique, les porteurs de charge adoptent un mouvement d’ensemble ordonné et constituent le courant électrique : il se déplacent tous dans la même direction, vers la même borne dans le milieu conducteur

Le courant électrique est d’autant plus intense que les porteurs de charge sont nombreux ou rapides. L’intensité du courant est donc liée au nombre de charges traversant un conducteur.

Si une charge électrique Q traverse un conducteur électrique durant un temps Δt, alors l’intensité I du courant électrique est :

\[I=\frac{Q}{\Delta{t}}~~avec~~\left\{\begin{array}{l}{I:~intensité~du~courant~en~Ampères(A)}\\ {Q:~charge~totale~en~Coulomb(C)} \\ {\Delta{t}:~durée ~en~secondes(s)} \end{array}\right.\]

Intensité et débit de charges.

L’intensité d’un courant électrique est un débit de charges électriques (comme le débit d’eau qui traverse un tuyau)

Remarque : La charge électrique Q peut être positive ou négative, l’intensité peut l’être également.

3. Sens de déplacement des porteurs de charges

Pour connaître le sens de déplacement des porteurs de charge on applique la règle « les opposés s’attirent » :

• Les électrons libres (négatifs) dans les fils métalliques se dirigent vers la borne positive du générateur.
• Les anions négatifs dans les solutions se dirigent vers la borne de l’électrolyseur reliée à la borne positive du générateur.
• Les cations positifs dans les solutions se dirigent vers la borne de l’électrolyseur reliée à la borne négative du générateur.

Déplacement des porteurs de charges.

Le sens conventionnel du courant est celui du déplacement des porteurs de charges positives : de la borne + vers la borne – à l’extérieur du générateur.

Le sens conventionnel du courant électrique.

II - Sources de tension

A savoir

Une source de tension, ou générateur, est un dipôle qui fournit de l’énergie électrique au circuit. Pour le représenter, on oriente dans le même sens la tension à ses bornes et le courant qui le traverse.

La caractéristique d’un dipôle est la représentation graphique de la tension U à ses bornes en fonction de l’intensité I du courant qui le traverse.

1. Source idéale de tension

C’est un générateur théorique, dont la tension E reste constante, quel que soit le courant débité par la source. Cette tension est nommée force électromotrice (f.é.m) du générateur, souvent notée E.

Equation d’une source idéale : U = E

Schéma et caractéristique d’une source de tension idéale .

2. Source réelle de tension

▶️ Capsule : Source réelle de tension

C’est un modèle plus réaliste de certains générateurs. Il est modélisé par une source idéale de tension E en série avec une résistance r appelée résistance interne de la source.

Equation d’une source idéale :

\[U=E-r\times{I}~~avec~~\left\{\begin{array}{l}{E :~f.é.m~en~volt(V)}\\ {r:~résitance~interne~en~ohm(\Omega)} \\ {I:~intensité~en~Ampères(A)}\end{array}\right.\]

Schéma et caractéristique d’une source de tension réelle.

III - Bilan de puissance et rendement d'un convertisseur

A savoir

1. Puissance et énergie

▶️ Capsule : Calculer une puissance

▶️ Capsule : Energie et puissance électrique

La puissance est une grandeur indiquant l’aptitude d’un système à convertir rapidement de l’énergie.

Soit un dipôle ayant une tension U à ses bornes et traversé par un courant d’intensité I. La puissance électrique mise en jeu par ce dipôle est :

\[P={U}\times{I}~~avec~~\left\{\begin{array}{l}{P:~puissance~en~Watt(W)}\\ {U :~tension~en~volt(V)} \\ {I:~intensité~en~Ampères(A)}\end{array}\right.\]

• si le dipôle est un générateur, P représente la puissance qu’il fournit au circuit
• si c’est un récepteur, P représente la puissance qu’il reçoit

L’ énergie échangée par un dipôle de puissance P utilisé pendant une durée Δt est :

\[E={P}\times{\Delta{t}}~~avec~~\left\{\begin{array}{l}{E:~énergie~en~Joule(J)}\\ {P:~puissance~en~Watt(W)} \\ {\Delta{t}:~durée ~en~secondes(s)}\end{array}\right.\]

2. L'effet Joule

Un dipôle ohmique de résistance R et traversé par un courant d’intensité I reçoit une puissance électrique :

\[P={R}\times{I^2}~~avec~~\left\{\begin{array}{l}{P:~puissance~en~Watt(W)}\\ {R:~résitance~en~ohm(\Omega)} \\ {I:~intensité~en~Ampères(A)}\end{array}\right.\]

Cette puissance par le dipôle ohmique est dissipée sous forme de chaleur : ce phénomène est appelé effet Joule.

3. Bilan de puissances et rendement

▶️ Capsule : Energie puissance et rendement

Un convertisseur, convertit l’énergie qu’il reçoit en une autre forme d’énergie : c’est le cas de tous les dipôles électriques qui convertissent l’énergie électrique.

Une chaîne de puissance permet d’illustrer cette conversion.

Exemple de chaine de puissance.

Le rendement η d’un convertisseur est une grandeur sans dimension qui mesure l’efficacité de la conversion :

\[\eta=\frac{P_{utile}}{P_{fournie}}\]

Remarques :

• Le rendement est toujours inférieur ou égal à 1.
• Le rendement peut également être exprimé en pourcentage.