2.Intensitéducourantélectrique 1.Tensionélectrique I.Tensionetintensitéélectriques Activité:«Quelestlebilanénergétiquedansuncircuitélectrique?»

1STL Date :

Activité : « Quel est le bilan énergétique dans un circuit électrique ? »

Thème du programme : Habitat Sous-thème : Gestion de l’énergie dans l’habitat Type d’activités : Activité expérimentale, Point

cours Pré-requis : Aucun pré-requis.

Extrait BOEN :

– Énergie et puissance électriques : tension, intensité.

– Dipôles passifs et dipôles actifs.

– Effet Joule.

Compétences attendues :

– Réaliser un circuit électrique d’après un schéma donné.

– Effectuer expérimentalement un bilan énergétique dans un circuit électrique simple.

– Mesurer une tension électrique, une intensité élec- trique dans un circuit en régime continu.

– Utiliser les conventions d’orientation permettant d’algébriser tensions et intensités.

– Mesurer et calculer la puissance et l’énergie élec- triques reçues par un récepteur.

– Utiliser la loi des nœuds et la loi des mailles.

I. Tension et intensité électriques

1. Tension électrique

• La tension entre deux points A et B d’un circuit correspond à la différence de potentiel ( ddp ) qui existe entre ces 2 points : u

= V

– V

. Elle s’exprime en volts ( V ).

• La tension est une grandeur algébrique, elle peut être positive ou négative : u

= V

– V

= - (V

– V

) = - u

.

• La tension u

est représentée par une flèche qui pointe vers A.

• La tension se mesure avec un voltmètre en dérivation.

• Loi des mailles : La somme algébrique des tensions le long d’une maille est nulle.

• Pour appliquer la loi des mailles, il faut choisir un sens de parcours arbitraire de la maille (chemin fermé).

Il faut parcourir la maille dans le sens choisi : si on rencontre la flèche de la tension par la pointe, la tension est affectée du signe + ; sinon elle sera affectée du signe -. La somme algébrique des tensions est égale à 0.

2. Intensité du courant électrique

• Dans un conducteur, le courant électrique est dû à un mouvement d’ensemble des porteurs qui sont des

électrons dans le cas des métaux et des alliages et des ions dans le cas des électrolytes..

• L’intensité du courant électrique est un débit de charges :

i = ∆q

∆t

i : intensité en ampères (A)

∆q : quantité d’électricité en Coulombs (C)

∆t : durée en secondes (s)

• Le sens conventionnel du courant est choisi dans le sens du déplacement des porteurs de charges positives. Il sort par la borne positive du générateur et entre par la borne négative.

• Pour un courant continu, l’intensité i est constante : i = I = Cte.

• L’intensité se mesure avec un ampèremètre en série.

• Loi des nœuds : La somme algébrique des intensités des courants qui entrent dans un nœud (= point d’inter- section d’au moins 3 fils) est égale à la somme algébrique des courants qui en partent.

3. Dipôles passifs et actifs

• Un dipôle passif est un dipôle toujours récepteur. Il ne peut pas fournir de l’énergie électrique au circuit ( résistance, condensateur . . .).

• Un dipôle actif peut fournir de l’énergie électrique au circuit. Il fonctionne alors en générateur.

• Convention d’orientation : Suivant le fonctionnement du dipôle (passif ou actif), on utilise une convention d’orientation différente.

II. Puissance électrique

• La puissance électrique fournie par le générateur au récepteur est :

p = u.i p : puissance en watts (W) u : tension en V (V)

i : intensité en ampères (A)

• En continu, la relation devient : P = U.I avec u = U = Cte et i = I = Cte’.

• Puissance Joule : La puissance électrique reçue par un conducteur ohmique est convertie intégralement sous forme thermique et rayonnante : c’est l’effet Joule.

• La puissance se mesure à l’aide d’un wattmètre.

III. Énergie électrique

• Rappeler la relation qui lie l’énergie électrique reçue par un récepteur, la puissance qu’il consomme et sa durée de fonctionnement. Préciser les unités utilisées.

• Effet Joule : Lorsqu’un conducteur est parcouru par un courant, l’énergie électrique qu’il reçoit est convertie en chaleur. On dit que le conducteur dissipe l’énergie par effet Joule.

• Énergie stockée par un condensateur :

Le condensateur est un dipôle est constitué de 2 surfaces métalliques séparées par un isolant appelé diélectrique.

Lorsqu’on applique une tension u aux bornes du condensateur, il accumule une charge électrique q :

q = C.u q : charge en coulombs (C) u : tension en V (V)

C : Capacité en farads (F)

Le condensateur stocke de l’énergie pendant sa charge : E = 1 2 C.u

• Énergie stockée par une bobine :

Une bobine est un dipôle constitué d’un fil de cuivre qui s’enroule autour d’un cylindre.

Elle est caractérisée par son inductance L en henry (H).

Lorsqu’elle est parcourue par un courant électrique, la bobine crée un champ magnétique (électro-aimant).

La bobine stocke de l’énergie lorsqu’elle est parcourue par un courant : E = 1 2 L.i

IV. Association de résistances en série

1. Étude préliminaire

1. Reproduire le schéma du montage en indiquant : – les tensions U

, U

, U

et U

;

– la position de l’ampèremètre permettant de mesurer I (préciser les bornes mA et COM) ;

– la position du voltmètre permettant de mesurer U

(préciser les bornes V et COM).

2. Quelle relation peut-on écrire entre U

et U

?

3. Quelle relation peut-on écrire entre U

, U

et U

?

2. Étude expérimentale

• Réaliser le circuit électrique (avec R

= 50 Ω et R

= 100 Ω ), brancher l’ampèremètre permettant de mesurer I et les deux voltmètres permettant de mesurer U

et U

.

Avant d’allumer le générateur, faites vérifier le montage par le professeur !

• Fixer la tension U

à 6,0 V, garder cette valeur constante tout au long du TP.

• Remplacer R

= 50 Ω par 100 Ω puis par 200 Ω et compléter les lignes 2, 3 et 4 du tableau ci-dessous.

R

(en Ω ) 50 100 200 U

(en V)

I (en mA) U

I

U

(en V) P

(en W) P

(en W) P

(en W)

3. Exploitation

1. Comparer U

I et R

.

2. En déduire l’expression de la tension aux bornes d’un conducteur ohmique de résistance R. C’est la loi d’Ohm.

3. Calculer la tension U

en utilisant la loi des mailles et compléter le tableau.

4. Calculer la puissance électrique P

transférée par le générateur au circuit résistif et compléter le tableau.

5. Calculer les puissances électriques P

et P

dissipées par effet Joule dans les résistances R

et R

. 6. Compléter le tableau.

7. Donner l’expression des puissances électriques P

et P

dissipées par effet Joule dans les résistances R

et R

en fonction de la valeur de la résistance et de I.

8. Le générateur fonctionne pendant une durée ∆t , donner l’expression de l’énergie dissipée par effet Joule dans chacune des résistances en fonction de R, I et ∆t .

9. Que peut-on conclure en comparant la puissance fournie par le générateur et celles dissipées dans les résistances ? 10. On considère que le générateur fonctionne pendant une durée de 5 min, calculer l’énergie fournie par le générateur pendant cette durée et l’énergie dissipée par effet Joule par chacune des résistances. Que peut-on en conclure ?

V. Association de résistances en parallèle ou en dérivation

1. Étude préliminaire

1. Reproduire le schéma du montage en indiquant : – les tensions U

, U

, et U

;

– la position de l’ampèremètre permettant de mesurer I (préciser les bornes mA et COM) ;

– la position de l’ampèremètre permettant de mesurer I

(préciser les bornes mA et COM) ;

– la position du voltmètre permettant de mesurer U

(préciser les bornes V et COM).

2. Quelle relation peut-on écrire entre U

, U

et U

? 3. Quelle relation peut-on écrire entre I, I

et I

?

2. Étude expérimentale

• Réaliser le circuit électrique (avec R

= 50 Ω et R

= 100 Ω ), brancher les ampèremètres permettant de mesurer I et I

et le voltmètre permettant de mesurer U

.

Avant d’allumer le générateur, faites vérifier le montage par le professeur !

• Fixer la tension U

à 6,0 V, garder cette valeur constante tout au long du TP.

• Remplacer R

= 50 Ω par 100 Ω puis par 200 Ω et compléter les lignes 2 et 3 du tableau ci-dessous.

R

(en Ω ) 50 100 200 I (en mA) (en V)

I

(en mA) I

(en mA) P

(en W) P

(en W) P

(en W)

3. Exploitation

1. Calculer l’intensité du courant I

en utilisant la loi des nœuds et compléter la ligne 4 du tableau.

2. Calculer la puissance électrique P

= U

.I transférée par le générateur au circuit résistif et compléter le tableau.

3. Calculer les puissances électriques P

= U

. I

et P

= U

.I

dissipées par effet Joule dans les résistances R

et R

. Compléter le tableau.

4. Que peut-on conclure en comparant la puissance fournie par le générateur et celles dissipées dans les résistances ?

5. On considère que le générateur fonctionne pendant une durée de 10 min, calculer l’énergie fournie par le gé-

nérateur pendant cette durée et l’énergie dissipée par effet Joule par chacune des résistances. Que peut-on en

conclure ?