Physique-Chimie 1re Spécialité

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1. Constitution et transformations de la matière
Ch. 1
Composition chimique d'un système
Ch. 2
Composition chimique des solutions
Ch. 3
Évolution d'un système chimique
Ch. 4
Réactions d'oxydoréduction
Ch. 5
Détermination d'une quantité de matière par titrage
Livret Bac : Thème 1
Ch. 6
De la structure à la polarité d'une entité
Ch. 7
Interpréter les propriétés d’une espèce chimique
Ch. 8
Structure des entités organiques
Ch. 9
Synthèse d'espèces chimiques organiques
Ch. 10
Conversions d'énergie au cours d'une combustion
Livret Bac : Thème 1 bis
2. Mouvement et interactions
Ch. 11
Modélisation d'interactions fondamentales
Ch. 12
Description d'un fluide au repos
Ch. 13
Mouvement d'un système
Livret Bac : Thème 2
3. L'énergie, conversions et transferts
Ch. 15
Études énergétiques en mécanique
Livret Bac : Thème 3
4. Ondes et signaux
Ch. 16
Ondes mécaniques
Ch. 17
Images et couleurs
Ch. 18
Modèles ondulatoire et particulaire de la lumière
Livret Bac : Thème 4
Méthode
Fiches méthode
Fiche méthode compétences
Annexes
Chapitre 12
Cours

Études énergétiques en électricité

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1
Le courant continu

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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).
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Doc. 1
Source de courant continu

 Source de courant continu
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Éviter les erreurs

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

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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 S est égale à la charge électrique \Delta q traversant la surface S par unité de temps \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
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L'intensité est exprimée en ampère, unité équivalente à C·s-1.
Ces trois grandeurs I, \Delta q et \Delta t sont liées par la relation :

I=\dfrac{\Delta q}{\Delta t}

avec I en ampère (A), \Delta q en coulomb (C) et \Delta t en seconde (s).
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Doc. 2
Source idéale de tension


Source idéale de tension
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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 E_{0} (en V). La tension à ses bornes est constante : U=E_{0} (doc. 2) ;
  • la source réelle, que l'on modélise en série d'une source idéale de tension à vide E_{0} et d'une résistance interne r en ohm (\Omega) en série. La tension à ses bornes dépend de l'intensité I du courant débité : U=E_{0}-r \cdot I (doc. 3).
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Doc. 3
Source réelle de tension


Source réelle de tension
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2
Puissance et énergie transféré

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A
Puissance électrique

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

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Doc. 4
Borne de recharge de voiture

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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.
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B
Relation entre puissance et énergie

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


L'énergie convertie par un appareil électrique est donc proportionnelle à la puissance P de l'appareil électrique et à la durée d'utilisation \Delta t.
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Doc. 5
Les contraintes de l'effet Joule

Placeholder pour Ordinateur ultraperformant équipé de ventilateurs optimisés pour limiter la surchauffeOrdinateur ultraperformant équipé de ventilateurs optimisés pour limiter la surchauffe
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Cet ordinateur ultraperformant doit être équipé de ventilateurs optimisés pour limiter la surchauffe de ses microprocesseurs.
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C
Cas des dipôles ohmiques : l'effet Joule

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

Sa puissance P s'exprime donc : P=U \cdot I=(R \cdot I) \cdot I=R \cdot I^{2}=\dfrac{U^{2}}{R} avec P en watt (W), R en ohm (\Omega) et I 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 E (J) convertie en énergie thermique par effet Joule s'exprime par :
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 électrique est importante, mais l'effet Joule peut aussi être exploité (doc. 6).
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Doc. 6
Une utilisation de l'effet Joule

Placeholder pour Une utilisation de l'effet Joule : les éoliennesUne utilisation de l'effet Joule : les éoliennes
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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.
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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 :

E_{\text {générateur}}=E_{1}+E_{2}+E_{3}+E_{4}.

En divisant cette relation par la durée \Delta t, on obtient une relation entre les différentes puissances :
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.
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Doc. 7
Exemple de circuit

Exemple de circuit
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3
Rendement d'un convertisseur

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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 \eta (êta) d'un convertisseur est égal à :

\eta=\dfrac{E_{\text {utile}}}{E_{\text {fournie}}}=\dfrac{P_{\text {utile}}}{P_{\text {fournie}}}

Définition du rendement d'un convertisseur
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Éviter les erreurs

  • Un rendement a une valeur toujours comprise entre 0 et 1.
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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.
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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
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Doc. 8
Quelques convertisseurs d'énergie

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