CM1 – Lois générales des

STPI1

P3-Electricité

CM1 – Lois générales des circuit électriques,

générateurs, dipôles …

1

• Générateur idéal de tension : entretient entre ses bornes une différence de potentiel (tension) constante

• Cette tension = force électromotrice du générateur E (V)

Générateur de tension

2

E

• En pratique on utilise une pile.

La tension est maximale aux bornes d’une pile lorsque qu’elle ne débite aucun courant.

Une pile n’est donc pas un générateur idéal de tension

Comment obtenir

un générateur de tension ?

3

Dans une pile

électrochimique, les propriétés oxydo- réductrices des

constituants engendrent une différence de

potentiel continue entre les deux demi-piles.

Un champ magnétique et une bobine en rotation relative engendrent dans celle-ci une f.e.m.

alternative. C’est le

principe des alternateurs (couplés à des turbines, des éoliennes, etc.)

Une photodiode éclairée se comporte en

générateur de tension continue. Elle convertit l’énergie

électromagnétique reçue en énergie électrique.

img-europe.electrocomponents.com

V

Ordre de grandeur de tension usuelle

4

Phénomène Tension

Pile du commerce 1,5 V ; 4,5 V ; 9 V Potentiel d‘action de la

cellule nerveuse

autour de 75 mV Réseau de distribution E.D.F. 127 V ; 230 V ; 380 V

Tension d'alimentation du TGV

25kV Ligne de transport à haute

tension

150 kV à 500 kV Foudre (tension entre ciel et

terre pendant un orage)

100 000 kV à 500 000 kV

Potentiel …

5

•

Potentiel (V) : Caractérise l’état électrique du circuit, s’exprime en volt (V)

•

Une tension est une différence de potentiel

•

Délicat à définir très rigoureusement (sera fait en STPI2 en P5) Le potentiel ne varie pas le long d’un fil de connection.

Référence de potentiel : les potentiels sont définis à une constante près.

Par convention, le point du circuit de potentiel le plus faible a pour potentiel 0 V, on appelle ce point la masse du circuit.

Courant électrique = déplacement d’un ensemble de porteurs de charges (microscopiquement)

Sens conventionnel du courant : par convention, le courant descend les potentiels à l’extérieur des

générateurs I > 0.

Courant conventionnel dans le sens inverse des électrons dans un conducteur métallique.

Nature du courant

6

C’est la différence de potentiel dans un circuit qui engendre la circulation d’un courant

électrique (et non l’inverse)

Courant et potentiel

7

A

B C

D

Mesure du débit de charges, positive ou négative

Intensité du courant

8

où dq est la quantité de électricité qui traverse la section Σ dans le sens de i pendant la durée dt

C s A

Choix d’un sens arbitraire pour i

Si V_M > V_N : i = +I Courant conventionnel de M vers N Si V_M < V_N : i = -I Courant conventionnel de N vers M

•

Ordre de grandeur de la vitesse moyenne des électrons due à la différence de potentiel dans un conducteur métallique

Vitesse des électrons et courant

9

<V>= 10

^-4

m.s

^-1

•

A cela s’ajoute le phénomène d‘agitation thermique (vu en P1-1) vitesse moyenne nulle, ordre de grandeur 10⁵ m.s^-1

•

≠ vitesse de propagation du signal électrique

v ~c = vitesse de la lumière dans le milieu 3. 10⁸ m.s^-1

Ordre de grandeur d’intensité de courant

10

Phénomène Intensité du courant

DEL classique 10 mA

Ampoule à incandescence 1 A

Radiateur 2000 W 10 A

Démarreur automobile 100 A

Moteur de locomotive 1 kA

Foudre (éclair) 10 à 200 kA

Vocabulaire

11

•

4 noeuds

•

5 mailles (au moins)

•

6 branches

Vocabulaire : exemple

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D1 D

3

D 2 D 4

G

Dipôles traversés par la même intensité :

G et D₁ D₁ et D₂ D₁ et D₃ D₃ et D₄ Tensions égales aux bornes de :

Association (G,D₁) et D₂ D₃ et D₄ D₂ et D₄ Association (D₃,D₄) et D₂

Vocabulaire : exemple

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D1 D

3

D 2 D 4

G

Dipôles traversés par la même intensité :

G et D₁ D₃ et D₄

Tensions égales aux bornes de :

Association (G,D₁) et D₂

Association (D₃,D₄) et D₂

Résistance

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Dans un métal, les atomes du réseau cristallin exercent ce qui

s’apparente à une force de frottement sur les électrons de conduction.

Le métal exerce une résistance au passage du courant.

La résistance est liée à la capacité du composant à s’opposer au passage du courant.

Résistance

15

i R

U

en convention récepteur:

U = R.i

Convention récepteur : Flèche de tension et de courant dans des sens opposés

Loi d’Ohm

La résistance R s’exprime en Ohm (Ω)

On introduit aussi la conductance G, exprimée en Siemens (S)

𝐺 = 1

𝑅

Convention

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Convention récepteur : Flèche de tension et de courant dans des sens opposés

Convention récepteur Convention générateur

E

i

Convention générateur : Flèche de

tension et de courant dans le même sens

i R

U

en convention récepteur:

U = R.i

Puissance absorbée par un dipôle

17

Loi de Joule : puissance absorbée par une résistance

𝑃 _𝐽 = 𝑈. 𝐼 = 𝑅. 𝐼 ² = 𝑈 ² 𝑅

i (D)

U

Puissance électrique absorbée:

abs

(W) (V) (A)

P  U i

Association de résistance

18 Association de résistances en série

R ¹ R ²

R ¹²

Association de résistance

19

R

¹

R

²

R

¹²

Association de résistances en parallèle

Analogie hydraulique

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z_N

z_P A B C

D E

N F P

A B C

D

E

F N (V_N)

P (V_P)

R₁

R₂

tension

G

dénivellation

pompe

courant d'eau

conduite forcée vanne

bassin

générateur inter

résistance

courant électrique

fil

Erreurs

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•

Erreur : on ne dit pas « tension qui traverse une résistance »

On dit :

•

Un courant traverse une résistance.

•

Il existe une tension (une différence de potentiel) aux bornes d‘une résistance.

Lois de Kirchhoff

22

•

Lois des noeuds

i

¹

i

²

i

³

i

⁴

i

⁵

Lois de Kirchhoff

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•

Lois des mailles = loi d’additivité des tensions

A

B

C

D U₃

U1

U2

Lois de Kirchhoff

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•

Lois des mailles en pratique

Méthode:

* Choisir des sens pour les courants (les plus pratiques).

* Flécher les tensions aux bornes de chaque dipôle

* Choisir un sens de parcours de la maille.

* Appliquer la loi des mailles: les tensions sont affectées d'un signe + si la flèche symbolisant la tension correspond au sens de parcours.

i ?

Autre exemple

25

Autre exemple

26

E

₁

E

₂

R

₂

R

₃

R

₁

i

₁

i

₂

R

₁

i

₁

R

₃

i

R

₂

i

₂

•

Lois des mailles en pratique

* Choisir des sens pour les courants (les plus pratiques).

* Flécher les tensions aux bornes de chaque dipôle

* Choisir un sens de parcours de la maille.

* Appliquer la loi des mailles: les tensions sont affectées d'un signe + si la flèche symbolisant la tension correspond au sens de parcours.

Exemple 3

Court-circuit

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Court-circuit : Mise en connexion volontaire ou accidentelle de deux points (ou plus) d’un circuit électrique entre lesquels il y a une différence de potentiel, par un conducteur de faible

résistance.

Le courant électrique cherche toujours à passer dans les

conducteurs qui possèdent la plus faible résistance électrique.

Ici, la lampe ne brille pas