P6 : Cours, Puissance et énergie électrique Page 1
P6 : Cours, Puissance et énergie électrique
1. Force électrique
Une charge électrique q placée au voisinage de deux plaques chargées électriquement subie une force 𝐹 . Cette force est perpendiculaire aux plaques.
Remarque : la charge électrique subie une autre force : son poids dont l’intensité est souvent négligeable devant la force électrique. On rappelle que l’intensité du poids est donnée par la relation P = m×g où m est la masse et g l’intensité de la pesanteur (9,81 N/kg sur la terre)
Si la charge q est positive alors la charge est attirée par la plaque <<<<<< et la force 𝐹 est orientée vers la plaque <<<<<< Représenter cette force en vert sur le schéma.
Si la charge q est négative alors la charge est attirée par la plaque <<<<<< et la force 𝐹 est orientée vers la plaque <<<<<< Représenter cette force en rouge sur le schéma.
2. Champ électrique
La force subie est proportionnelle à la charge q. On définit un vecteur appelé champ électrique 𝐸 comme étant la force subie par une charge de 1 C. 𝐹 = 𝑞𝐸
Le champ électrique a pour unité le V/m
Le champ électrique ne dépend pas de la charge électrique mais uniquement de la géométrie des deux plaques chargées. Dans la configuration avec deux plaques planes parallèles le champ électrique est dit uniforme car la force est la même quelque soit la position de la charge entre les deux plaques. Pour des plaques qui ne serait pas planes et parallèles le champ électrique dépend de la position de la charge q.
Champ électrique de 2 V/m régnant entre deux plaques planes parallèles (échelle V/m <-> 1 cm)
Remarque : une force a une orientation c’est pour cela qu’on représente une force par un vecteur. L’intensité d’une force est un nombre noté F. Elle est toujours positive F = |q|E
Application 1 : Calculer la force exercée sur une charge de -3 C placé dans un champ électrique de 2 V/m -
- - - -
+ + + + + q
- - - - -
+ + + + +
P6 : Cours, Puissance et énergie électrique Page 2 3. Expression du champ électrique
Pour obtenir des charges sur les deux plaques dans le dispositif précédent il faut placer les deux plaques aux bornes d’un générateur de tension UAB.
La force subie par une charge de 1C dépend de la distance d entre les deux plaques. Plus cette distance est grande plus la force sera faible. La force subie par une charge de 1C dépend aussi du nombre de charge accumulée sur les plaques. Plus la tension UAB est grande plus la force sera grande.
La relation liant champ électrique, distance et tension aux bornes des 2 plaques est E=UAB
d .
Application 2 : Un générateur de tension de 10 V est placé aux bornes de deux plaques planes parallèles distantes de 2 mm. Quelle est la valeur du champ électrique créée ? Faites un schéma en précisant l’échelle utilisée.
4. Cas du courant électrique
Dans un circuit électrique les électrons se trouvent entre le potentiel VA et le potentiel VB. La différence entre les deux potentiel engendre un champ électrique (E=VAAB-VB) donc chaque électron subit la même force 𝐹 = −eE . Les électrons sont mis en mouvement et un courant électrique apparait.
- - - - -
+ + + + + B A
e- e-
𝐸 𝐹
VA VB
P6 : Cours, Puissance et énergie électrique Page 3 Dans un électrolyte il n’y a pas d’électrons mais des ions. Ces ions placés entre deux électrodes (électrolyse) sont soumis à une différence de potentiel donc à un champ électrique donc à une force 𝐹 = qE . Le sens de la force dépend de la charge électrique. Les cations se déplacent vers le pole – alors que les anions vont se déplacer vers le pole +.
5. Energie électrique
Dans un circuit électrique on classe en deux types les dipôles. Les récepteurs reçoivent de l’énergie électrique et les générateurs fournissent de l’énergie électrique.
Dans les deux cas la formule pour calculer l’énergie électrique reçue ou fournie pendant une expérience d’une durée Δt est la même si on respecte les conventions récepteurs et générateurs : W=U×I×∆t où U est la tension en Volt, I l’intensité du courant en Ampère et Δt le temps en seconde et W l’énergie en Joule.
On peut aussi s’intéresser à l’énergie mise en jeu pendant 1 seconde, c’est ce qu’on appelle la puissance P= W
∆t=U×I où P est la puissance en Watt, W l’énergie en Joule et Δt la durée de l’expérience en seconde.
a. Cas du générateur
En convention générateur on doit mesurer I et U en sens inverse.
Bilan énergétique d’une pile, d’un générateur continu de f.é.m E et de résistance interne r :
Interprétation : Les réactions chimiques dans la pile fournissent de l’énergie qui est transformée en énergie électrique et en chaleur. La pile fournit de l’énergie électrique pour le reste du circuit.
Application 3 : Un générateur de f.é.m E = 6 V et de résistance interne r = 2 Ω fournit à un circuit électrique un courant électrique I = 20 mA pendant 15 minutes.
i. Quelle est l’énergie chimique mise en jeu pendant la durée de l’expérience ? G
U
I
Pile Energie
chimique EI Δt
Energie électrique W = UI Δt
Chaleur par effet Joule rI² Δt
P6 : Cours, Puissance et énergie électrique Page 4 ii. Quelle est la chaleur dissipée par effet Joule dans le générateur ?
iii. Quelle est l’énergie électrique fournie par la pile au circuit électrique ?
Application 4 : Reprendre l’expérience précédente et calculer
i. La puissance chimique engendrée par la pile
ii. La puissance dissipée par effet Joule
iii. La puissance électrique fournie au reste du circuit électrique
b. Cas du conducteur ohmique
En convention récepteur on doit mesurer I et U dans le même sens.
L’énergie électrique reçue pendant le temps Δt est dissipée par effet Joule. La chaleur dissipée pendant une durée Δt est W = UI ∆t = rI2 ∆t .
Application 5 : Une bouilloire est constituée d’un conducteur ohmique de 100 Ω dans lequel passe un courant de 2 A. Quelle est l’énergie fournie par cette résistance en 1 minute ? La quantité de chaleur nécessaire pour faire bouillir l’eau est environ de 150 kJ. Pendant combien de temps faudra-t-il faire fonctionner la bouilloire ?
U
I
P6 : Cours, Puissance et énergie électrique Page 5 Application 6 : Un radiateur électrique fonctionnant pendant 1h fourni une énergie de 10 MJ. Quelle est la puissance de ce radiateur ?
c. Cas de l’électrolyseur
En convention récepteur on doit mesurer I et U dans le même sens.
L’énergie électrique reçue par l’électrolyseur pendant la durée Δt est W = UI ∆t . Cette énergie est dissipée sous deux formes :
une forme dite utile, l’énergie chimique pour effectuer des réactions chimiques dans l’électrolyseur
sous forme de chaleur par effet Joule dans la résistance interne de l’électrolyseur
d. Cas du moteur
En convention récepteur on doit mesurer I et U dans le même sens.
L’énergie électrique reçue par le moteur pendant la durée Δt est W = UI ∆t . Cette énergie est dissipée sous deux formes :
une forme dite utile, l’énergie mécanique pour faire tourner le moteur
sous forme de chaleur par effet Joule dans la résistance interne du moteur U
I
Electrolyseur Energie
électrique UI Δt
Energie chimique E’I Δt
Chaleur par effet Joule r’I² Δt
Moteur Energie
électrique UI Δt
Energie mécanique E’I Δt
Chaleur par effet Joule r’I² Δt
U M I
P6 : Cours, Puissance et énergie électrique Page 6 e. Bilan de puissance dans un circuit électrique
Application 7 : Ecrire la loi de Pouillet dans ce circuit contenant un générateur (9,0 V ; 3,0 Ω), un électrolyseur (2,0 V ; 3,0 Ω), un moteur (3,0V ; 4,0 Ω) et un conducteur ohmique (10 Ω).
En déduire le courant I dans le circuit.
Calculer le puissance chimique de la pile :
Calculer le puissance perdue par effet Joule dans le ciscuit : Calculer le puissance mécanique reçue par le moteur : Calculer la puissance chimique reçue par l’électrolyseur :
Que remarquez vous ?
Interprétation : la puissance chimique <<<<<<<<<< est dissipée en chaleur par effet Joule
<<<<<<<<<<<<< , et transformée en puissance utile <<<<<<<< et <<<<<<<<<
G
M
