elec

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

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

2.2. Circulation des électrons.

Les électrons chargés négativement circulent de la borne – vers la borne + du générateur.

schema1

Le sens de circulation conventionnel du courant électrique est de la borne plus vers la borne moins du générateur.

schema2

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
\$I =Q/t\$
  • 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
  1. Le courant électrique est représenté sur les schémas par une flèche qui n’indique pas forcément son sens réel.

  2. 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.

L’intensité se mesure avec un ampèremètre placé en série dans le circuit.

La résistance d ’un ampèremètre est faible.

ampermetre
Figure 1. Symbole de l’ampèremètre.

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
  1. Le potentiel d’un point caractérise son niveau électrique il s’exprime en VOLTS (V).

  2. La circulation du courant électrique entre deux points d’un circuit est due à une différence de potentiel entre ces deux points.

  3. 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 = UAUB.

UA en volts ; UB en volts ; UAB en volts.

tension1

La tension est une grandeur algébrique représentée par une flèche.

tension2

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.

  1. Les tensions aux bornes des piles sont toujours les mêmes.

    tension3
  2. Par contre, les potentiels soulignés dépendent du point de référence.

tension4

3.2.2. Exercice 1:

ex1

Cocher la ou les bonnes réponses.

  1. Calculer le potentiel en A. :
    1. Ua = 0V
    2. Ua = 5V
    3. Ua = -2V


  2. Calculer le potentiel en B.
    1. Ub = 5V
    2. Ub = -2V
    3. Ub = 0V

3.3. Mesure de la tension.

La tension se mesure avec un VOLTMÈTRE.

Le voltmètre se monte en dérivation sur le circuit.

La résistance interne d’un voltmètre est trés élevée.

tension5

4. Circuit électrique.

Voici un exemple de circuit série.

circuit

Un circuit électrique est constité majoritairement de dipôles.

Un dipôle est une portion de circuit comprise entre deux bornes (pôles).

dipole
Figure 2. Exemples de dipôles.

Les circuits électriques peuvent être plus complexes et intégrer de nombreux dipôles et former un réseau électrique.

reseau1
Figure 3. Exemples de reseau électrique.

Un vocabulaire particulier est attribué aux éléments du réseau électrique.

reseau2
Figure 4. Vocabulaire.

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.

4.2. Modélisation d’un circuit électrique.

On peut imaginer un circuit simple électrique comme le système d’entrainement d’un vélo.

modele
Figure 5. Modéle.

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
Figure 6. Modèle.
ohm2
Figure 7. Caractéristique de transfert.
caracteristique2
Figure 8. Exemple de mesures pour 2 valeurs de résistances.

5.1.1. Exercice :

  1. Une résistance de 100 Ω est traversée par un courant de 20 mA. Calculer la tension à ses bornes.

  2. 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
Figure 9. Relevés de U=f(I).
  • Représenter la caractéristique U=f(I) de la résistance.

  • Calculer la valeur de R.


Cocher la ou les bonnes réponses.

  1. Calculer la valeur de R.
    1. R = 1.8kΩ
    2. R = 2.2kΩ
    3. R = 2.2Ω


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
Figure 10. Association série.
Formule à retenir pour des résistances en série.
\$ R = R_1+R_2+... -> R = sum R_i\$

5.2.2. Lorsque les réisitances sont en parallèle ou dérivation.

On montre qu’en dérivation les inverses des résistances s’ajoutent.

para
Figure 11. Association parallèle.
Formule à retenir pour plusieurs résistances en parallèle.
\$ 1 / R = 1 / R_1+1 / R_2+...-> 1 / R = sum 1 / R_i\$

Pour deux résisitances en parallèle uniquement on peut faire ce calcul:

\$ 1 / R = 1 / R_1+1 / R_2-> 1 / R = (R_1 +R_2) / (R_1.R_2) -> R = (R_1.R_2) / (R_1 +R_2)\$
Formule à retenir pour 2 résistances en parallèle.
\$R = (R_1.R_2) / (R_1 +R_2)\$

5.2.3. Exercices.


Cocher la ou les bonnes réponses.

  1. Déterminer la valeur de la résistance équivalente du schéma suivant : ex1
    1. Requ = R
    2. Requ = R/2
    3. Requ = 2R


  2. Déterminer la valeur de la résistance équivalente du schéma suivant : ex2
    1. Requ = R/3
    2. Requ = 3R
    3. Requ = 2R/3


  3. Déterminer la valeur de la résistance équivalente du schéma suivant : ex2
    1. Requ = R/2
    2. Requ = R
    3. Requ = 0


  4. Déterminer la valeur de la résistance équivalente du schéma suivant : ex2
    1. Requ = 5R/2
    2. Requ = 4R
    3. 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
Figure 12. Loi des noeuds.

Remarque: en traversant un dipôle, le courant ne rencontre pasde nœud. Le courant avant et après le dipôle est donc le même.

noeud1
Figure 13. Loi des noeuds.

5.3.1. Exercices.


Cocher la ou les bonnes réponses.

  1. Calculer la valeur de I4 , on donne I1=2A , I2=3A , I3=-2A: ex1
    1. I4 = 1A
    2. I4 = -2A
    3. I4 =-1A


  2. Calculer la valeur de I4.

    ex2
    1. I4 = 1A
    2. I4 = -2A
    3. I4 =-1A
  3. Calculer la valeur de I4.

    ex2
    1. I4 = -5A
    2. I4 = -2A
    3. 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
Figure 14. Loi des mailles presentation.
Methode d’écriture d’une maille.
  1. Choisir une maille(un circuit électrique fermé).

  2. Choisir un sens positif de parcours de cette maille(Choix complétement arbitraire mais à respecter pour la suite).

  3. Toutes les fléches de tensions dans le sens de la maille sont comptées positivement toutes les fléches dans le sens opposé sont comptées négativement.

  4. Après un tour complet de la maille la somme des tensions trouvées est égale à zéro.

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
Figure 15. Loi des mailles.

En suivant la méthode précédente on peut écrire la maille suivante:

\$+ U_(AD) - U_(AB) - U_(BC) - U_(CD) = 0\$
\$+ U_(AD) + U_(BA) + U_(CB) + U_(DC) = 0\$

5.4.1. Exercices.


Cocher la ou les bonnes réponses.

  1. Calculer la valeur de V3 , on donne V1=15V , V2=-10V . ex1
    1. V3 = 5V
    2. V3 = 25V
    3. V3 = -25V


  2. Calculer la valeur de U2.

    ex2
    1. U2 = 8V
    2. U2 = 11V
    3. U2 = -11V


Si vous n’avez pas de questions particulières poursuivez avec les fiches d’exercices suivantes:

5.5. Une pause vidéo.

Notions de tension et d’intensité électrique.

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
Figure 16. Exemples de dipôles passifs.

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
Figure 17. Caractéristique d’une diode.

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
Figure 18. Symbole d’une diode.
Comment trouver le modèle mathématique de la diode.

Pour trouver l’équation U = Us + r.I à partir de la caractéristique de la diode (courbe I=f(U)) il faut considérer une fonction linéaire décaler de Us.

  • On rappelle qu’une fonction linéaire est une droite passant par l’origine.

  • Pour trouver la pente de cette droite, il faut déterminer le coefficient directeur.

  • Le coefficient directeur se trouve en prenant deux points A et B quelconques sur la droite et en calculant la division des écarts sur les ordonnées et sur les abscisses entre ces deux points.

    \$ a = (Y_b-Y_a)/(X_b-X_a)=(DeltaY) / (Delta X)\$

    On utilise le delta ( Δ) , pour indiquer la variation (la soustraction) entre les coordonnées en X et Y

  • Dans notre diode on a:

    \$ a = (I_b-I_a)/(U_b-U_a)=(Delta I) / (Delta U)\$

    Donc le coefficient directeur correspond à une valeur de l’inverse d’une résistance.

    \$ a= 1 / r = (Delta I) / (Delta U)\$

    Donc:

    \$ Delta U = r . (Delta I) -> Ur= r . I\$

    Ur est la tension au borne de résisance interne de la diode.

  • En conclusion :

    1. La tension aux bornes de la diode correspond à la somme de la tension de seuil et de la tension aux bornes de la résistance interne.

      \$ U = Us + Ur = Us + r . I\$
    2. Nous pouvons maintenant dans un circuit remplacer le symbole de la diode par ce modèle mathématique et utiliser les lois vues précédement pour résoudre et concevoir les montages électroniques.

    modeled

Us n’est pas un générateur de tension car le courant 'entre dans le symbole' , cela indique juste que lorsqu’un courant traverse la diode une tension de seuil apparaît.

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
Figure 19. Différents modèles d’une diode.

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.

  1. Commencez par relever Us (tension de seuil).

  2. Déterminez la valeur de r.

Correction.
\$ 1/r = (Delta I) / (Delta U) -> r = (Delta U) / (Delta I)\$
\$ r= (DeltaU) / (Delta I) =(0.85-0.74) /((260-0).10^-3) = 0.4 Omega\$
\$ U = Us + r.I = 0.74 + 0.4.I\$
modeled

7.2. Dipôles actifs.

Un dipôle actif contient un générateur de puissance (ou d’énergie).

actif
Figure 20. Exemples dipôles actifs.

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
Figure 21. Exemples caractéristique d’un générateur.

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

Comment trouver le modèle mathématique du générateur.

Pour trouver l’équation U = E - r.I à partir de la caractéristique du générateur (courbe U=f(I)) il faut considérer une fonction affine.

  • On rappelle qu’une fonction affine est une droite avec une ordonnée à l’origine et un coefficient directeur selon le modèle mathématique suivant:

    y = a . x + b

    a: Coefficient directeur, b: Ordonnée à l’origine.

  • Le coefficient directeur se trouve en prenant deux points A et B quelconques sur la droite et en calculant la division des écarts sur les ordonnées et sur les abscisses entre ces deux points.

    \$ a = (Y_b-Y_a)/(X_b-X_a)=(DeltaY) / (Delta X)\$

    On utilise le delta ( Δ) , pour indiquer la variation (la soustraction) entre les coordonnées en X et Y

  • Dans notre générateur on a:

    \$ a = (U_b-U_a)/(I_b-I_a)=(Delta U) / (Delta I)\$

    Donc le coefficient directeur correspond à une valeur d’une résistance.

    \$ a= r = (Delta U) / (Delta I)\$

    Donc:

    \$ Delta U = r . (Delta I) -> Ur= r . I\$

    Ur est la tension au borne de résisance interne de la diode.

    La pente étant décroissante, le coefficient directeur est négatif. Comme une résistance négative n’existe pas, nous aurons r toujours positif , précédé d’un signe -.

  • En conclusion :

    1. La tension aux bornes du générateur correspond à la fonction affine : somme de l’ordonnée à l’origine (E) et de -r.I(tension perdue dans la résistance interne du générateur.

      \$ U = E - Ur = E - r . I\$
    2. Nous pouvons maintenant dans un circuit remplacer le symbole d’un générateur par ce modèle mathématique et utiliser les lois vues précédement pour résoudre et concevoir les montages électroniques.

    modelgen

E est un générateur de tension parfait avec une résistance en série (défaut du générateur) entrainant des pertes par effet joule.

L’ensemble modélise bien un générateur réel.

Bien noter que le courant 'sort du symbole'.

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
Figure 22. Point de fonctionnement d’une batterie de téléphone.
p2
Figure 23. Point de fonctionnement d’une batterie de téléphone avec le modèle.

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

\$ I= E / (R+r)\$

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
Figure 24. Pont diviseur de tension.

D’après la loi d’ohm, nous avons

\$ E=(r+R).I\$

et

\$ U=R.I\$

La mise en forme suivante permet de supprimer I.

\$ U / E= R / (r+R)>->U= R / (r+R) . E\$

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
Figure 25. Point de fonctionnement.

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:

  1. Utiliser les équations du modéle du générateur et du récepteur données sur le graphique pour trouver l’expression de I.

  2. 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)\$
  3. Calculer la valeur de I.

  4. Calculer U

Correction

E = 4,60 V (fém générateur pour U = 0V)

  1. Recherche de I, en considérant U identique (intersection des droites) dans le système d’équation suivant:

    \${(U=E-rI),(U=RI):}\$
    \$I= E / (R+r)\$
  2. Recherche de r

    \$abs(r) = (DeltaU) / (DeltaI) =(4.60-4.20) /((0-120.10^-3))= 3 Omega\$
  3. Calcul de I.

    \$I= E / (R+r)>-> 4.60 /(50+3) =87mA\$
  4. Calcul de U

\$U = R.I=50.87.10^-3=4.34V>-> donc F(87.10^-3;4.34)\$

On peut utiliser l’autre modèle (générateur) pour obtenir le même résultat.

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
Figure 26. Rappel sur la convention récepteur et générateur des modèles.
modele2
Figure 27. modèles.

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.


Cocher la ou les bonnes réponses.

  1. L'intensité électrique représente :
    1. la force du courant
    2. une tension
    3. un débit d'électrons
    4. un courant électrique


  2. La fém se mesure en:
    1. Volt
    2. Ampère
    3. Ohm


  3. Pour qu'un courant circule, il suffit qu'il y ait une tension:
    1. oui
    2. non
    3. cette question n'a aucun sens


  4. Des tensions en séries:
    1. s'ajoutent
    2. se multiplient
    3. se divisent


  5. Lorsque le courant traverse une résistance:
    1. il diminue
    2. il provoque un échauffement
    3. il augmente
    4. il reste inchangé


  6. Des résistances en parallèles:
    1. s'ajoutent
    2. se divisent
    3. se retranchent
    4. aucune des réponses ci-dessus


  7. La tension Us vaut:

    ex1
    1. (R + R').Ue
    2. (R - R').Ue
    3. (R/(R+R')).Ue
    4. (R'/(R+R')).Ue


  8. Une diode est un dipôle actif:
    1. oui
    2. non
    3. cette question n'a aucun sens


  9. La résistance interne d'un générateur:
    1. provoque une perte de puissance
    2. augmente la tension de sortie du générateur
    3. diminue la tension de sortie du générateur
    4. s'ajoute à la puissance du générateur


  10. La tension U délivrée aux bornes d'un générateur s'exprime par:
    1. E + r.I
    2. E - r.I
    3. U - r.I
    4. 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 = U . I\$
  • 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 = P . t\$
  • E en joules

  • P en watts

  • t en secondes

Une autre unité d’énergie utilisée en électricité, est le watt-heure (Wh) et son multiple le kilowatt-heure (kWh).

  • 1 Wh = 3600 J.

  • 1 kWh = 3,6 x 10^6J

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
Figure 28. Principe du rendement.

On peut écrire:

Énergie absorbée = Énergie utile + Chaleur.

On présente souvent le rendement d’un récepteur comme :

  1. Le rapport entre la quantité d’énergie utile qu’il produit et la quantité d’énergie qu’il absorbe.

    \$eta = (E_(u)) / (E_(a))\$
  2. Au rapport entre la puissance utile et la puissance absorbée.

\$eta = (P_(u)) / (P_(a))\$
  • Eu énergie utile.

  • Ea énergie absorbée.

  • Pu puissance utile.

  • Pa puissance absorbée.

Unité du rendement
  1. Un rendement n’a pas d’unité, car il correspond au rapport de deux grandeurs identiques.

  2. Le rendement est toujours inférieur ou égale à 1. Il s’exprime souvent en pourcentage, il ne peut donc pas excéder 100%.

9.4. QCM.


Cocher la ou les bonnes réponses.

  1. Un radiateur électrique dont la puissance absorbée est de 1500 W a fonctionné 3 h. Calculer l’énergie absorbée en Wh:
    1. E = 450Wh
    2. E = 4.5kWh
    3. E = 4500Wh


  2. Un radiateur électrique dont la puissance absorbée est de 1500 W a fonctionné 3 h. Calculer l’énergie absorbée en kWh:
    1. E = 450Wh
    2. E = 4.5kWh
    3. E = 4500Wh


  3. Un radiateur électrique dont la puissance absorbée est de 1500 W a fonctionné 3 h. Calculer l’énergie absorbée en Joules:
    1. E = 16.2 MJ
    2. E = 4500J
    3. E = 4500 KJ


  4. Le générateur d’une centrale électrique de puissance utile 125 MW absorbe une puissance mécanique de 130 MW. Calculer son rendement.
    1. 96%
    2. 0.96
    3. 1.04


  5. Le générateur d’une centrale électrique de puissance utile 125 MW absorbe une puissance mécanique de 130 MW. Quelle est l’énergie dissipée (perdue) en chaleur en une journée (24h) ?
    1. 120 MWh
    2. 120 MW
    3. 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.

  1. Calculer la puissance P de cet écran.

  2. 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.

  3. Le coût du KWH est de 0,0964 €. Calculer le coût annuel de la consommation en veille.

  4. 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
  1. Calculer la puissance P3 nécessaire pour que le convecteur fournisse sa puissance nominale P4. Compléter la chaîne énergétique avec la valeur calculée.

  2. Calculer le rendement η2 du transport de l’électricité. Compléter la chaîne énergétique avec la valeur calculée.

  3. Calculer la puissance P1 nécessaire pour que le convecteur fournisse sa puissance nominale P4. Compléter la chaîne énergétique avec la valeur calculée.

  4. Calculer le rendement global de la chaîne énergétique par 2 méthodes différentes.

  5. 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.

  6. Conclure.

9.5.3. unités

Notre machine a une puissance de 750W. On l’utilise 3h30 par jour.

  1. Calculer l’énergie consommée quotidiennement par la machine en kWh

  2. Calculer l’énergie annuelle consommée par la machine (elle fonctionne 6 jours par semaine, toute l’année) en kWh

  3. Convertir cette énergie annuelle en Joules.

  4. Convertir cette énergie annuelle en Tep.

Si vous n’avez pas de questions particulières poursuivez avec les fiches d’exercices suivantes:

10. Une pause vidéo.

Bilan énergie électrique.

11. Modélisation-Simulation.

11.1. En ligne avec tinkerCad.

Tuto ISIS circuit électrique simple.

11.2. En salle avec ISIS.

Tuto ISIS circuit électrique simple.