Chapitre 14


Cours




2
Puissance et énergie transféré


Doc. 4
Borne de recharge de voiture

Borne de recharge de voiture

D
Bilan de puissance dans un circuit

Soit un circuit composé d’un générateur et de plusieurs dipôles D1, D2, D3 et D4 (doc. 7). Comme l’énergie totale du circuit se conserve, on peut établir une relation entre l’énergie délivrée par le générateur et les énergies converties par les différents dipôles :

Egeˊneˊrateur=E1+E2+E3+E4.E_{\text {générateur}}=E_{1}+E_{2}+E_{3}+E_{4}.

En divisant cette relation par la durée Δt\Delta t, on obtient une relation entre les différentes puissances :
Pgeˊneˊrateur=P1+P2+P3+P4.P_{\text {générateur}}=P_{1}+P_{2}+P_{3}+P_{4}.

Cette relation s’appelle le bilan de puissance.

Elle permet de calculer le rendement d’un dispositif en identifiant la puissance utile et la puissance fournie au circuit.

Éviter les erreurs

L’unité usuelle d’énergie de transfert électrique (factures, etc.) est le kW·h, avec la puissance exprimée en kW et la durée en h.
1 W·h == 3 600 J.
1 kW·h == 3,6 ×\times 106 J.

B
Relation entre puissance et énergie

L’énergie convertie par un appareil électrique fonctionnant pendant une durée Δt\Delta t est égale à E=PΔt=UIΔtE=P \cdot \Delta t=U \cdot I \cdot \Delta t,
avec EE en joule (J), PP en watt (W) , Δt\Delta t en seconde (s), UU en volt (V) et II en ampère (A).


L’énergie convertie par un appareil électrique est donc proportionnelle à la puissance PP de l’appareil électrique et à la durée d’utilisation Δt.\Delta t.

Doc. 5
Les contraintes de l’effet Joule

Ordinateur ultraperformant équipé de ventilateurs optimisés pour limiter la surchauffe
Cet ordinateur ultraperformant doit être équipé de ventilateurs optimisés pour limiter la surchauffe de ses microprocesseurs.

Doc. 6
Une utilisation de l’effet Joule

Une utilisation de l’effet Joule : les éoliennes
La formation de givre entraîne l’arrêt d’une éolienne. Une peinture antigivre conductrice du courant électrique permet de dégeler l’éolienne par l’effet Joule.

Doc. 7
Exemple de circuit

Exemple de circuit

C
Cas des dipôles ohmiques : l’effet Joule

Le dipôle ohmique est caractérisé par sa résistance RR et vérifie la loi d’Ohm U=RI.U = R \cdot I.

Sa puissance PP s’exprime donc : P=UI=(RI)I=RI2=U2RP=U \cdot I=(R \cdot I) \cdot I=R \cdot I^{2}=\dfrac{U^{2}}{R} avec PP en watt (W), RR en ohm (Ω)(\Omega) et II en ampère (A).

Au niveau microscopique, les interactions entre les électrons libres et leur support de déplacement peuvent être modélisées par une force de frottement. Le matériau s’échauffe : c’est l’effet Joule. Le matériau s’échauffe d’autant plus que le courant électrique est important.

L’énergie EE (J) convertie en énergie thermique par effet Joule s’exprime par :
E=RI2Δt.E=R \cdot I^{2} \cdot \Delta t.


L’effet Joule peut poser des problèmes de dépense énergétique à minimiser ou encore de surchauffe (doc. 5), d’autant plus si l’intensité du courant est électrique est importante, mais l’effet Joule peut aussi être exploité (doc. 6).

A
Puissance électrique

La puissance convertie par un dipôle électrique est notée PP et s’exprime en watt (W). Pour un dipôle soumis à une tension UU entre ses bornes et parcouru par un courant d’intensité II, on peut écrire : P=UI.P = U · I.

Un dipôle

Exemple : les bornes de recharge d’une voiture électrique ont des puissances qui varient de 2 kW à 7 kW. La durée de recharge est plus courte pour une borne plus puissante, mais elle sera plus onéreuse car, à tension égale, sa structure doit pouvoir supporter des courants électriques plus importants.

Exemples de puissance d’appareils courants :

PC_Chap14_tableau

3
Rendement d’un convertisseur


A
Définition du rendement d’un convertisseur

L’énergie ne se produit pas, mais elle peut être convertie et transférée d’un système à un autre. C’est un convertisseur d’énergie qui effectue cette transformation. Le rendement η\eta (êta) d’un convertisseur est égal à :

η=EutileEfournie=PutilePfournie\eta=\dfrac{E_{\text {utile}}}{E_{\text {fournie}}}=\dfrac{P_{\text {utile}}}{P_{\text {fournie}}}

Définition du rendement d’un convertisseur

Pas de malentendu

Il existe différentes formes d’énergie : mécanique, nucléaire ou chimique par exemple. En électricité, on préfère le terme d’énergie de transfert électrique à celui d’énergie électrique car l’électricité ne permet pas de stockage de l’énergie.
L’énergie peut aussi se transmettre par transfert thermique ou radiatif.

B
Rendement global d’une chaîne énergétique

Dans le cas d’une chaîne comportant plusieurs convertisseurs, le rendement global est égal au produit des rendements individuels de chaque élément.

Rendement global d’une chaîne énergétique

Éviter les erreurs

Un rendement a une valeur toujours comprise entre 0 et 1.

Doc. 8
Quelques convertisseurs d’énergie

Quelques convertisseurs d’énergie : panneaux solaires et éolienne

1
Le courant continu


Doc. 3
Source réelle de tension

Source réelle de tension

B
Débit de charges et intensité d’un courant continu

Pour un courant continu, l’intensité du courant circulant à travers un conducteur de section SS est égale à la charge électrique Δq\Delta q traversant la surface SS par unité de temps Δt.\Delta t. On peut parler de débit de charges.
Au niveau microscopique, l’atome métallique possède un ou plusieurs électrons dits « libres » qui peuvent se mettre en mouvement.

Débit de charges et intensité d’un courant continu


L’intensité est exprimée en ampère, unité équivalente à C·s-1.
Ces trois grandeurs II, Δq\Delta q et Δt\Delta t sont liées par la relation :

I=ΔqΔtI=\dfrac{\Delta q}{\Delta t}

avec II en ampère (A), Δq\Delta q en coulomb (C) et Δt\Delta t en seconde (s).

Doc. 2
Source idéale de tension

Source idéale de tension

Doc. 1
Source de courant continu

 Source de courant continu

C
Le générateur réel de tension continue

Le courant continu est généré par un générateur (on emploie souvent le mot source) de tension continue, comme les piles ou les accumulateurs (batteries).

On distingue deux types de générateurs de tension continue :
  • la source idéale, caractérisée par sa tension à vide E0E_{0} (en V). La tension à ses bornes est constante : U=E0U=E_{0} (doc. 2) ;
  • la source réelle, que l’on modélise en série d’une source idéale de tension à vide E0E_{0} et d’une résistance interne rr en ohm (Ω)(\Omega) en série. La tension à ses bornes dépend de l’intensité II du courant débité : U=E0rIU=E_{0}-r \cdot I (doc. 3).

A
Nature des porteurs de charge

On appelle courant continu un courant électrique dont l’intensité ne varie pas au cours du temps (doc. 1). Par convention, le courant électrique se déplace dans le circuit de la borne ++ du générateur vers la borne .-.
Le courant électrique est un déplacement de particules chargées appelées porteurs de charge.

Dans les métaux, les porteurs de charge sont les électrons chargés négativement, et dans les liquides, les porteurs de charge sont des ions, positifs ou négatifs.
Chaque porteur de charge est caractérisé par sa masse (exprimée en kilogramme) et sa charge électrique (exprimée en coulomb, symbole C).

Éviter les erreurs

Attention : le courant va du pôle ++ vers le - du générateur mais les électrons (chargés négativement) vont du pôle - vers le ++ !

Piles
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