Caractéristiques d'un circuit électrique

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Tests
Nous nous servons quotidiennement de divers appareils électriques. Leur point commun est d'utiliser l'énergie électrique. Comment se calcule cette énergie ? Qu'est-ce que le rendement d'un appareil électrique ?
1. Le circuit électrique
• Un dipôle est un composant possédant 2 bornes ou encore une portion de circuit limitée par 2 points.
• Un nœud est un point de connexion d'au moins 3 dipôles.
• Des dipôles sont en dérivation si leurs 2 bornes sont communes.
Des dipôles sont en série s'ils ont une seule borne commune et que cette borne commune n'est pas un nœud.
• Un circuit est en série ou en boucle simple s'il est constitué uniquement de dipôles en série.
Une branche est un ensemble de dipôles montés en série entre 2 nœuds consécutifs.
La branche principale est la branche contenant le générateur.
• Le courant électrique est dû à la circulation de particules chargées : électrons dans un métal, ions dans un électrolyte.
Le sens conventionnel du courant correspond au sens de circulation de particules chargées positivement.
Dans un circuit simple, en courant continu, le courant circule dans le circuit de la borne + du générateur vers la borne −.
Test n°1Test n°2
2. Intensité et tension
• L'intensité I du courant électrique est le débit de charge électrique en un point du circuit.
L'intensité s'exprime en ampères (A) et est représentée sur un schéma de circuit par une pointe de flèche sur un fil conducteur.
Si l'orientation choisie est de sens opposé au sens de circulation du courant, alors l'intensité sera négative.
Elle se mesure à l'aide d'un ampèremètre branché en série de façon que le courant entre par la borne A ou mA et ressorte par la borne COM.
L'intensité est la même en tous points d'un circuit en série ou d'une branche d'un circuit en dérivation.
• La tension UAB entre 2 points A et B du circuit est la différence de potentiel électrique entre ces 2 points : {U_{{\rm{AB}}} = V_{\rm{A}} - V_{\rm{B}} }VA et VB sont les potentiels électriques des points A et B.
La tension et les potentiels s'expriment en volts (V).
La tension est représentée sur un schéma de circuit par une flèche parallèle au dipôle (UAB : flèche orientée de B vers A).
Elle se mesure à l'aide d'un voltmètre branché en dérivation ; pour mesurer UAB on relie le point A du circuit à la borne V du voltmètre et le point B à la borne COM.
La tension est donc une grandeur algébrique : UBA = − UAB.
Dans un circuit ne comportant qu'un générateur, le potentiel électrique diminue de la borne + du générateur vers sa borne −.
On appelle masse l'ensemble des points du circuit de potentiel nul.
Test n°3Test n°4
3. Récepteurs et générateurs
• Un récepteur électrique est un dipôle qui reçoit de l'énergie électrique pour la convertir en d'autres formes d'énergie.
Exemples : lampe, résistance, moteur, électrolyseur…
Dans un récepteur le courant circule du point de potentiel le plus haut vers le point de potentiel le plus bas. Ceci correspond à la représentation dite « convention récepteur », dans laquelle les flèches de tension et d'intensité sont de sens opposés.
• Un générateur électrique au contraire utilise une source d'énergie pour la convertir en énergie électrique.
Exemples : pile, génératrice, photopile…
Le courant sort par la borne + du générateur. Ceci correspond à la représentation dite « convention générateur », dans laquelle les flèches de tension et d'intensité sont de même sens.
4. Puissance et énergie électriques
• La puissance électrique reçue par un récepteur ou fournie par un générateur est égale au produit de la tension aux bornes du dipôle par l'intensité du courant qui le traverse : {\mathcal{P}_{\rm{e}} = U \cdot I} (unités : \mathcal{P}e en W, U en V, I en A).
• L'énergie électrique transférée est alors égale au produit de la puissance par la durée du transfert :
{W_{\rm{e}} = \mathcal{P}_{\rm{e}} \cdot \Delta t = U \cdot I \cdot \Delta t}
(unités : We en J, \mathcal{P}e en W, Δt en s, U en V, I en A).
L'énergie électrique s'exprime en joules (unité SI) mais on utilise aussi le kilowattheure (kWh) :
1 kWh = 3,6 × 106 J.
On utilise la lettre W bien qu'on parle d'énergie et non de travail, mais, comme le travail, l'énergie électrique est un mode de transfert d'énergie.
Comme en mécanique, la grandeur « puissance » permet d'évaluer la rapidité du transfert d'énergie.
Test n°6Test n°7
5. Rendement d'un transfert
Lors du fonctionnement d'un circuit électrique il y a transfert d'énergie électrique du générateur vers les récepteurs.
En général seule une partie de cette énergie est utile en ce sens qu'elle est convertie sous la forme prévue (énergie mécanique pour un moteur, énergie chimique pour un électrolyseur, énergie de rayonnement pour une lampe…), le reste étant généralement dissipé sous forme de chaleur.
On définit le rendement (ou l'efficacité) d'un récepteur, noté η ou e, par la relation :
{e = \frac{{W_{\left( {{\rm{utile}}} \right)} }}{{W_{{\rm{e}}\left( {{\rm{recue}}} \right)} }} = \frac{{\mathcal{P}_{\left( {{\rm{utile}}} \right)} }}{{\mathcal{P}_{{\rm{e}}\left( {{\rm{recue}}} \right)} }}}.
Test n°8Test n°9
À retenir
• Le courant électrique est dû à la circulation de particules chargées : électrons dans un métal, ions dans un électrolyte. Le sens conventionnel du courant correspond au sens de circulation de particules chargées positivement (de la borne + du générateur vers sa borne − pour un circuit simple en courant continu).
• L'intensité I du courant électrique est le débit de charge électrique en un point du circuit. Elle s'exprime en ampères (A).
• La tension UAB est la différence de potentiel électrique entre deux points A et B du circuit. Elle s'exprime en volts (V).
• En convention récepteur les flèches de tension et d'intensité sont de sens opposés. En convention générateur elles sont de même sens.
• La puissance électrique est donnée par la relation :
{\mathcal{P}_{\rm{e}} = U \cdot I}
(unités : \mathcal{P}e en W, U en V, I en A).
• L'énergie électrique transférée est donnée par :
{W_{\rm{e}} = \mathcal{P}_{\rm{e}} \cdot \Delta t = U \cdot I \cdot \Delta t}
(unités : We en J, \mathcal{P}e en W, Δt en s, U en V, I en A).
• On définit le rendement (ou l'efficacité) d'un récepteur, noté η ou e, par la relation :
{e = \frac{{W_{\left( {{\rm{utile}}} \right)} }}{{W_{{\rm{e}}\left( {{\rm{recue}}} \right)} }} = \frac{{\mathcal{P}_{\left( {{\rm{utile}}} \right)} }}{{\mathcal{P}_{{\rm{e}}\left( {{\rm{recue}}} \right)} }}}.
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