![elec](images/elec.jpg)
1. Introduction
Dans ce parcours de formation, vous allez découvrir les principes physiques indispensables à la compréhension des phénomènes électriques.
La compréhension de ces principes est à la base des métiers de l’électricité et de l’énergie mais également de l’électronique et de l’informatique.
2. Nature du courant électrique.
Le courant électrique correspond au déplacement de porteurs de charges électriques dans la matière. (électrons ou ions)
Suivant l’état de la matière, nous pouvons trouver des électrons ou trous (absence d’électron) dans les solides et des ions dans les liquides et gaz.
![charge](images/charge.png)
2.1. Classification de la matière.
L’ensembles des éléments existant sur terre ont été classés dans un tableau (classification périodique des élèments). La position de l’élèment dans ce tableau nous donne une indication sur ses propriétés physiques et chimiques. On notera en particulier les cases des semi-conducteurs qui sont à la base de nos technologies modernes.
![periodique](images/periodique.png)
2.2. Circulation des électrons.
Les électrons chargés négativement circulent de la borne – vers la borne + du générateur.
![schema1](images/schema1.png)
Le sens de circulation conventionnel du courant électrique est de la borne plus vers la borne moins du générateur. |
![schema2](images/schema2.png)
2.3. Quantité d’électricité.
L’unité de charge électrique est le COULOMB ( C ).
La charge d’un électron est de : - 1,6 x 10-19 C.
2.4. Intensité du courant.
L’intensité du courant est le quotient de la quantité d’électricité Q par la durée t de passage du courant.
C’est donc un DEBIT qui mesure la quantité Q d’électrons qui circulent (courant) pendant un temps t donné.
![i](images/i.png)
-
I en ampères.
-
Q en coulombs.
-
t en secondes.
2.4.1. Représentation d’un même courant électrique.
Deux manières de représenter un courant de 3 mA circulant de A vers B.
![schema3](images/schema3.png)
-
Le courant électrique est représenté sur les schémas par une flèche qui n’indique pas forcément son sens réel.
-
L’intensité du courant est une grandeur algébrique ; sa valeur est :
-
Positive lorsque le courant circule dans le sens de la flèche.
-
Négative dans le cas contraire.
-
2.4.2. Utilisation de l’ampèremètre.
![ampermetre](images/ampermetre.png)
3. Potentiels - Tensions.
3.1. Définition.
La tension ou le potentiel est une FORCE qui met en mouvement des électrons. On parle de force électro motrice (f.é.m.).
On peut aussi résonner en Travail
La tension entre 2 point d’un circuit représente le travail nécessaire pour déplacer une quantité de charges dans ce circuit :
![travail](images/travail.png)
-
Le potentiel d’un point caractérise son niveau électrique il s’exprime en VOLTS (V).
-
La circulation du courant électrique entre deux points d’un circuit est due à une différence de potentiel entre ces deux points.
-
La différence de potentiel est aussi appelée tension elle s’exprime en VOLTS (V).
3.2. Représentation de la tension.
La tension entre deux points A et B est notée UAB.
UA est le potentiel du point A, UB celui du point B.
UAB = UA–UB.
UA en volts ; UB en volts ; UAB en volts.
![tension1](images/tension1.png)
La tension est une grandeur algébrique représentée par une flèche.
![tension2](images/tension2.png)
Le potentiel d’un point n’est pas mesurable, c’est un nombre qui dépend du point choisi comme potentiel zéro ou potentiel de référence. |
3.2.1. Potentiel en différents points.
-
Les tensions aux bornes des piles sont toujours les mêmes.
-
Par contre, les potentiels soulignés dépendent du point de référence.
![tension4](images/tension4.png)
3.2.2. Exercice 1:
![ex1](images/ex1.png)
- Ub = 5V
- Ub = -2V
- Ub = 0V
3.3. Mesure de la tension.
![tension5](images/tension5.png)
4. Circuit électrique.
Voici un exemple de circuit série.
![circuit](images/circuit.png)
Un circuit électrique est constité majoritairement de dipôles.
Un dipôle est une portion de circuit comprise entre deux bornes (pôles).
![dipole](images/dipole.png)
Les circuits électriques peuvent être plus complexes et intégrer de nombreux dipôles et former un réseau électrique.
![reseau1](images/reseau1.png)
Un vocabulaire particulier est attribué aux éléments du réseau électrique.
![reseau2](images/reseau2.png)
4.1. Un dipôle particulier la résistance électrique.
C’est un dipôle qui utilise la propriété intrinsèque d’un matériau à ralentir le passage d’un courant électrique.
La résistance est aussi responsable d’une dissipation d’énergie sous forme de chaleur.
Cette propriété porte le nom d’effet Joule.
Cette production de chaleur est parfois un effet souhaité (résistances de chauffage), parfois un effet néfaste (pertes Joule) mais souvent inévitable.
La résistance s’oppose au passage du courant et diminue l’intensité dans un circuit. Elle se mesure en Ohm (Ω) à l’aide d’un ohmmètre.
Pour en savoir plus: http://fr.wikipedia.org/wiki/Georg_Ohm
4.2. Modélisation d’un circuit électrique.
On peut imaginer un circuit simple électrique comme le système d’entrainement d’un vélo.
![modele](images/modele.png)
Pour qu’un courant électrique d’intensité I circule dans un conducteur, il doit obligatoirement exister une différence de potentiel entre les extrémités du conducteur ET que le circuit soit fermé.
5. Lois électriques.
5.1. La loi d’ohm.
Aux bornes d’un dipôle résistif, la tension est égale au produit de la résistance du dipôle et de l’intensité du courant qui le traverse.
![ohm](images/ohm.png)
![ohm2](images/ohm2.png)
![caracteristique2](images/caracteristique2.png)
5.1.1. Exercice :
-
Une résistance de 100 Ω est traversée par un courant de 20 mA. Calculer la tension à ses bornes.
-
Caractéristique.
On mesure la caractéristique d’un résistor de résistance R inconnue en relevant avec un amperemétre et un voltmétre les valeurs de U et de I.
![exo1](images/exo1.png)
-
Représenter la caractéristique U=f(I) de la résistance.
-
Calculer la valeur de R.
Si vous n’avez pas de questions particulières poursuivez avec les fiches d’exercices suivantes: |
5.2. Associations de résistances.
Pour simplifier l’étude des circuits électriques ou électronique il est interressant de pouvoir utiliser la notion de résistance équivalente. Il s’agit de trouver une résistance théorique qui remplacerait tout ou partie d’un circuit.
Pour cela deux formules sont à connaître:
5.2.1. Lorsque les réisitances sont en série.
Lorsque des résistances sont en séries, les valeurs des résistances s’ajoutent.
![serie](images/serie.png)
5.2.2. Lorsque les réisitances sont en parallèle ou dérivation.
On montre qu’en dérivation les inverses des résistances s’ajoutent.
![para](images/para.png)
Pour deux résisitances en parallèle uniquement on peut faire ce calcul:
5.2.3. Exercices.
![ex2](images/para2.png)
- Requ = R/3
- Requ = 3R
- Requ = 2R/3
![ex2](images/para3.png)
- Requ = R/2
- Requ = R
- Requ = 0
![ex2](images/para4.png)
- Requ = 5R/2
- Requ = 4R
- Requ = 2R/5
Si vous n’avez pas de questions particulières poursuivez avec les fiches d’exercices suivantes: |
5.3. Lois des noeuds(ou courant).
Par analogie avec l’hydraulique : les sommes des intensités qui arrivent à un nœud électrique égale les sommes des intensités qui en repartent.
![noeud](images/noeud.png)
Remarque: en traversant un dipôle, le courant ne rencontre pasde nœud. Le courant avant et après le dipôle est donc le même.
![noeud1](images/noeud1.png)
5.3.1. Exercices.
![ex2](images/exoNoeud2.png)
- I4 = 1A
- I4 = -2A
- I4 =-1A
![ex2](images/exoNoeud3.png)
- I4 = -5A
- I4 = -2A
- I4 =5A
Si vous n’avez pas de questions particulières poursuivez avec les fiches d’exercices suivantes: |
5.4. Lois des mailles(ou tensions)
la tension d’un générateur (appareil qui fournit une fém) se répartit aux bornes des différents dipôles (appareils qui possèdent 2 pôles = récepteur électrique qui « consomme » du courant mais n’en fournit pas) du circuit électrique.
Les tensions en série s’ajoutent.
![mailleintro](images/mailleintro.png)
On rapelle qu’une tension est une grandeur algébrique, On peut écrire :
\$U_(AB) = - U_(BA)\$
|
Pour un circuit fermé ( maille ), la somme des différences de potentiels en suivant un sens déterminé est nulle :
![maille1](images/maille1.png)
En suivant la méthode précédente on peut écrire la maille suivante:
5.4.1. Exercices.
![ex2](images/maille3.png)
- U2 = 8V
- U2 = 11V
- U2 = -11V
Si vous n’avez pas de questions particulières poursuivez avec les fiches d’exercices suivantes: |
5.5. Une pause vidéo.
6. Exercices de synthèse.
7. Quelques Dipôles.
7.1. Dipôles passifs.
Un dipôle est un composant électrique qui possède deux bornes de branchement. Il est passif s’il ne produit pas d’énergie.
![dipole1](images/dipole1.png)
7.1.1. Etude de la diode.
On fait varier la tension U aux bornes d’une Diode D et on mesure l’intensité I qui circule dans le circuit électrique :
![diode](images/diode.png)
La diode est un composant électronique à conduction unidirectionnelle : elle ne conduit que dans le sens de l’anode A vers la cathode K. La diode est passante à partir d’une certaine tension, appelée tension de seuil notée Us (typiquement, Us = +0,7 V). Son symbole est représenté à la figure ci-dessous. Le symbole de la diode indique le sens de conduction.
![diode1](images/diode1.png)
On définit ainsi plusieurs modèles pour effectuer des calculs, suivant le niveau de précision que l’on désire. L’étude précédente correspond à un modèle semi-réel. Voici des modèles de diode, du plus simple jusqu’au modèle réel: |
![diode2](images/diode2.png)
Dans le modèle classique on aurait l’équation U=Us lorsqu’un courant traverse la diode en sens direct.
Pour le modèle idéal, la diode est un interrupteur parfait: U=0V lorsqu’un courant traverse la diode en sens direct.
7.1.2. Exercice.
Donner l’expression de la tension U aux bornes d’une diode à partir du tracé de la caractéristique donnée ci-dessus.
-
Commencez par relever Us (tension de seuil).
-
Déterminez la valeur de r.
Correction.
![modeled](images/modeled.png)
7.2. Dipôles actifs.
Un dipôle actif contient un générateur de puissance (ou d’énergie).
![actif](images/actif.png)
7.2.1. Etude d’un générateur(pile, batterie…).
On fait varier l’intensité du courant à l’aide d’une résistance variable (potentiomètre) P. On mesure l’intensité I qui circule dans le circuit électrique et la tension U aux bornes du générateur G :
![gene](images/gene.png)
La caractéristique du génrateur est la courbe en bleu.
Le générateur fonctionne en régime linéaire sur une plage de courant ΔI ; au delà, la tension « s’écroule ».
À vide (quand le générateur ne débite pas de courant) : U = E, fem (f orce e lectro- m otrice) du générateur (force capable de 'pousser' les électrons) .
La chute de tension (pente de la courbe en bleu) est due à la résistance interne r du générateur. On en déduit la tension U aux bornes de G : U = E - r.I
-
E : fém du générateur (V)
-
r : résistance interne du générateur (Ω)
-
I : Intensité du courant (A)
La résistance interne du générateur n’est pas représentée sur le schéma, ne pas la confondre avec R |
7.2.2. Recherche du point de fonctionnement.
Nous avons souvent besoin de connaitre le point de fonctionnement d’un générateur.
Ce point va dépendre de la charge à ses bornes ou de la quantité de courant demandée par la charge pour une tension donnée.
Exemple:
Le point de fonctionnement de la batterie d’un téléphone varie suivant l’utilisation du GPS ou du Wifi en même temps.
Cette information permettra de déterminer l’autonomie de l’appareil.
![point](images/point.png)
![p2](images/p2.png)
On peut écrire :
-
côté générateur : U = E – r.I
-
côté résistance : U = R.I (loi d’Ohm)
Il y a équilibre (fonctionnement du circuit) lorsque :
tension côté générateur = tension côté résistance
-
E – r.I = R.I
-
E = R.I + r.I
-
E = (R + r).I
Donc
Nous avons trouver la valeur de I du point de fonctionnement mais comment trouver la valeur de U?
7.2.3. Diviseur potentiométrique.
Nous allons utiliser la formule du pont diviseur de tension dans un circuit série.
Nous appliquerons cette formule sur le modèle équivalent de la batterie ci-dessous.
![pont](images/pont.png)
D’après la loi d’ohm, nous avons
et
La mise en forme suivante permet de supprimer I.
Application:
Déduire le point de fonctionnement d’un circuit à partir des caractéristiques d’un générateur données par le schéma ci-dessous, pour une charge R = 50 Ω.
![point2](images/point2.png)
On cherche le point F(I,U) par une methode analytique afin d’avoir une expression mathématique pour n’importe quel point de fonctionnement.
Suivre la démarche suivante:
-
Utiliser les équations du modéle du générateur et du récepteur données sur le graphique pour trouver l’expression de I.
-
Recherche de r, résistance interne du générateur en recherchant la valeur du coefficient directeur du modèle du générateur (détermination graphique). On prendra la valeur absolue de ce coefficient directeur car le sens de la pente a été pris en compte dans le modèle du générateur.
\$abs(r) = (DeltaU) / (DeltaI)\$ -
Calculer la valeur de I.
-
Calculer U
Correction
7.3. Quelques modéles de dipôles
La notion de modéle est importante car elle permet de comprendre le fonctionnement des circuits éléctriques et électroniques. De plus tous les simulateurs utilisent des modèles de composants plus ou moins complexes.
![convention](images/convention.png)
![modele2](images/modele2.png)
Dans le cas de la diode, nous avons vu que sa caractéristique est non linéaire. Puis nous avons utilisé un modèle semi-réel constitué uniquement de droite. On dit que nous avons linéarisé le modèle. La résolution de problème est très difficile quand on a affaire à des équations non linéaires. Après linéarisation on peut appliquer la loi d’ohm et les théorèmes classiques de l’électricité. Le système d’équations sera alors linéaire, donc simple à résoudre avec des outils classiques. |
8. QCM de synthèse.
- Volt
- Ampère
- Ohm
- oui
- non
- cette question n'a aucun sens
- s'ajoutent
- se multiplient
- se divisent
- il diminue
- il provoque un échauffement
- il augmente
- il reste inchangé
- s'ajoutent
- se divisent
- se retranchent
- aucune des réponses ci-dessus
![ex1](images/qcm1.png)
- (R + R').Ue
- (R - R').Ue
- (R/(R+R')).Ue
- (R'/(R+R')).Ue
- oui
- non
- cette question n'a aucun sens
- provoque une perte de puissance
- augmente la tension de sortie du générateur
- diminue la tension de sortie du générateur
- s'ajoute à la puissance du générateur
- E + r.I
- E - r.I
- U - r.I
- U = r.I
9. Notion de Puissance et d’énergie électriques.
9.1. La puissance.
La puissance électrique mise en jeu entre deux points d’un circuit est égale au produit de la tension entre ces deux points par l’intensité du courant qui le traverse.
-
P en Watts.
-
U en Volts.
-
I en Ampères.
9.2. Energie et rendement.
L’énergie électrique absorbée par un circuit est égale au produit de la puissance consommée par le temps de fonctionnement.
-
E en joules
-
P en watts
-
t en secondes
9.3. Le rendement.
Un récepteur électrique ou machine, absorbe de l’énergie électrique et la restitue sous d’autres formes.
Exemple: un moteur électrique transforme l’énergie électrique qu’il absorbe en énergie mécanique.
La transformation d’énergie s’accompagne toujours d’un dégagement de chaleur, c’est de l’énergie perdue.
![rendement](images/rendement.png)
On peut écrire:
Énergie absorbée = Énergie utile + Chaleur.
On présente souvent le rendement d’un récepteur comme :
-
Le rapport entre la quantité d’énergie utile qu’il produit et la quantité d’énergie qu’il absorbe.
\$eta = (E_(u)) / (E_(a))\$ -
Au rapport entre la puissance utile et la puissance absorbée.
-
Eu énergie utile.
-
Ea énergie absorbée.
-
Pu puissance utile.
-
Pa puissance absorbée.
9.4. QCM.
- E = 450Wh
- E = 4.5kWh
- E = 4500Wh
- E = 16.2 MJ
- E = 4500J
- E = 4500 KJ
- 96%
- 0.96
- 1.04
- 120 MWh
- 120 MW
- 432 GJ
9.5. Exercices
9.5.1. Un écran d’ordinateur LCD-LED de 24 pouces
Un écran d’ordinateur LCD-LED de 24 pouces a consommé 72,5 W.h en 2h30min de fonctionnement.
-
Calculer la puissance P de cet écran.
-
Le constructeur indique une puissance de 1,3 W en veille. Calculer l’énergie consommée par cet écran laissé en veille pendant 20 h 30 min chaque jour. En déduire la consommation annuelle de l’écran en veille.
-
Le coût du KWH est de 0,0964 €. Calculer le coût annuel de la consommation en veille.
-
Il y a, grosso modo, 40 millions d’écran en veille en France. Calculer la puissance totale nécessaire pour la veille de ces écrans. Calculer l’énergie annuelle totale consommée par ces écrans en mode veille.
9.5.2. rendements
On va partir du principe que la centrale nucléaire fournit de l’électricité qui va servir à chauffer une pièce. On cherche à calculer le rendement total.
Chaîne de puissance :
![rend](images/rend.png)
-
Calculer la puissance P3 nécessaire pour que le convecteur fournisse sa puissance nominale P4. Compléter la chaîne énergétique avec la valeur calculée.
-
Calculer le rendement η2 du transport de l’électricité. Compléter la chaîne énergétique avec la valeur calculée.
-
Calculer la puissance P1 nécessaire pour que le convecteur fournisse sa puissance nominale P4. Compléter la chaîne énergétique avec la valeur calculée.
-
Calculer le rendement global de la chaîne énergétique par 2 méthodes différentes.
-
Il manque un élément en début de chaîne énergétique. Quel est-il ? (pour info son rendement est de 86%, c’est-à-dire 14% de pertes). Calculer le nouveau rendement global du chauffage électrique.
-
Conclure.
9.5.3. unités
Notre machine a une puissance de 750W. On l’utilise 3h30 par jour.
-
Calculer l’énergie consommée quotidiennement par la machine en kWh
-
Calculer l’énergie annuelle consommée par la machine (elle fonctionne 6 jours par semaine, toute l’année) en kWh
-
Convertir cette énergie annuelle en Joules.
-
Convertir cette énergie annuelle en Tep.
Si vous n’avez pas de questions particulières poursuivez avec les fiches d’exercices suivantes: |