1Porteurs de charge et intensité du courant
Définition. Un courant électrique est un déplacement d’ensemble de porteurs de charge : les électrons libres dans un métal, les ions dans une solution électrolytique. Le sens conventionnel du courant va, à l’extérieur du générateur, de la borne vers la borne ; les électrons circulent en sens inverse.
Définition. L’intensité est le débit de charges à travers une section du conducteur :
Remarque. L’intensité est la même en tout point d’une branche (circuit série) : une ampoule ne « consomme » pas de charges, elle convertit de l’énergie. À un nœud, la somme des intensités qui arrivent est égale à la somme des intensités qui repartent (loi des nœuds).
2Source réelle de tension
Définition. Une source réelle de tension est modélisée par une source idéale de force électromotrice (en ) en série avec une résistance interne (en ). En convention générateur, la tension entre ses bornes vaut
Propriété — caractéristique. La courbe est une droite décroissante : ordonnée à l’origine (tension à vide, ), coefficient directeur . Elle coupe l’axe des abscisses pour l’intensité de court-circuit .
Méthode — point de fonctionnement. le point de fonctionnement du circuit est le point d’intersection de la caractéristique du générateur et de celle du récepteur : il donne le couple effectivement imposé. Avec un conducteur ohmique , il se retrouve par le calcul : , soit .
Figure 1 — Caractéristiques d’une pile (, ) et d’un conducteur ohmique () ; point de fonctionnement F.
3Puissance, énergie et effet Joule
Définition. La puissance électrique reçue ou fournie par un dipôle parcouru par et soumis à vaut (en ) ; l’énergie transférée pendant vaut (en ).
Propriété — effet Joule. Un conducteur ohmique () convertit intégralement l’énergie reçue en transfert thermique :
C’est l’effet recherché dans un radiateur ou une bouilloire, subi dans les fils et dans la résistance interne d’une pile.
Propriété — bilan de puissance d’une source réelle. En multipliant par :
Définition. Le rendement d’un convertisseur est : sans unité, toujours inférieur à (souvent exprimé en ). Les pertes valent .
- • • • . Batterie de capacité et de tension : .
- Puissances : lampe à LED • ordinateur portable • bouilloire ou radiateur • voiture • TGV • réacteur nucléaire .
4Savoir-faire du chapitre
- Relier charge, intensité, durée et nombre d’électrons ; identifier les porteurs de charge d’un milieu.
- Exploiter une caractéristique : lire et , déterminer le point de fonctionnement.
- Calculer une puissance, une énergie (, , ) et le coût d’une consommation.
- Établir le bilan de puissance d’un circuit et évaluer les pertes par effet Joule.
- Calculer le rendement d’un convertisseur (pile, moteur, chargeur, panneau) et commenter sa valeur.
5Exemples types
Pile , fermée sur : et (point F de la figure 1). Bilan : fournis, transférés au conducteur ohmique, perdus dans la pile ; , soit .
Batterie de téléphone : , capacité , donc , soit . Si le chargeur absorbe pendant , il consomme : le rendement de la charge vaut , soit ; le reste est dissipé par effet Joule.
Un moteur de résistance interne fonctionne sous avec : il reçoit , en dissipe et fournit . Son rendement vaut , soit .
Une bouilloire de , alimentée sous , est parcourue par et se comporte comme un conducteur ohmique de résistance . Utilisée par jour, elle consomme par jour, soit par an : à le , environ par an.
- Confondre le sens du courant et le sens de déplacement des électrons (opposés dans un métal).
- Écrire : en fonctionnement générateur, la résistance interne diminue la tension disponible.
- Utiliser pour un dipôle non ohmique (moteur, pile) : ne compte alors que les pertes, la puissance reçue reste .
- Mélanger les unités d’énergie : donne des joules si est en secondes, des si est en heures.
- Annoncer un rendement supérieur à : identifier d’abord la puissance reçue et la puissance utile.