12 Énergie électrique.

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1 12 Énergie électrique. Courant alternatif Les appareils électriques possèdent une plaque signalétique où est indiqué, entre autres, la puissance qu ils consomment. Il y a aussi, sur les appareils ménagers par exemple, un symbole «~» qui signifie que l appareil fonctionne sous une tension alternative. La tension alternative délivrée par le secteur dans les habitations est de 220. Le compteur électrique permet de connaître la consommation d énergie électrique pendant un temps donné. Pour visualiser une tension continue ou alternative, on utilise un oscilloscope. (L ensemble de ce chapitre est à traiter pour les secteurs 1, 2, 3, 4.) Les objectifs de ce chapitre sont : Une personne vient d acquérir un lave-linge qu elle branche sur une prise électrique de 16 ampères. En la mettant en fonctionnement, au bout de quelques instants, un fusible «saute» et le lave-linge s arrête immédiatement. Cette personne regarde alors la plaque signalétique de l appareil et constate que la puissance consommée est de W. > identifier une tension continue et alternative sur un oscillogramme ; > mesurer la puissance électrique consommée par un dipôle ; > comprendre le fonctionnement du compteur électrique ; > utiliser la loi de Joule ; > déterminer graphiquement et par le calcul les valeurs des tensions, U efficace, des intensités I max, I efficace, de la période T et de la fréquence f. Situation de départ Pourquoi le fusible a-t-il «sauté»? Résolution Rendez-vous page 131 > 129

2 130 < Activité 1 M A T É R I E L 1 générateur de tension continue multimètres (un commuté en ampèremètre et l autre en voltmètre) 1 interrupteur des fils de connexions 1 lampe de 6 et 1 lampe de 12 1 wattmètre (montage n o 2) 12. Énergie électrique. Courant alternatif Mesurer une puissance électrique La puissance électrique s exprime en watt (W) et se mesure avec un wattmètre ou alors avec un ampèremètre et un voltmètre. MODE OPÉRATOIRE > Réalisez le montage électrique correspondant au schéma ci-dessous. > Réglez le générateur en 6 continu. Fermez l interrupteur. > Lisez les indications données par le voltmètre et l ampèremètre : U = ; I = > Réalisez le montage électrique correspondant au schéma ci-dessous. > Réglez le générateur en 6 continu. Fermez l interrupteur. > Lisez les indications données par le wattmètre : P = > Recommencez ces deux expériences avec la lampe de 12 en réglant le générateur en 12 continu. > Complétez le tableau ci-dessous : Lampe 6 Lampe 12 Montage n lampe G Montage n 2 Montage 1 Montage 2 U () I (A) U I P (W) A 6-12 K G W

3 Activité 2 M A T É R I E L 1 générateur de tension continue variable multimètres (un commuté en ampèremètre et l autre en voltmètre) 1 wattmètre 1 résistor de résistance 10 1 interrupteur des fils de connexions OBSERATION > Les produits U I sont aux valeurs lues sur le wattmètre. CONCLUSION > Le produit U I est égal à la puissance électrique. La relation entre la puissance électrique P consommée par un dipôle, la tension U entre ses bornes et l intensité I du courant qui le traverse est : Résolution de la situation de départ P L intensité du courant qui devrait parcourir le lave-linge est : I = ---, soit U I = La valeur de cette intensité est supérieure à ce que peut supporter le fusible. C'est pourquoi il «saute». Connaître l effet Joule MODE OPÉRATOIRE > Réalisez le montage électrique représenté par le schéma ci-dessous : Fermez le circuit. > Réglez le générateur sur 2. > Notez les valeurs indiquées par les appareils de mesures. > Approchez votre doigt du résistor. Faites varier la tension à l aide du générateur pour réaliser 2 autres mesures. Complétez le tableau suivant : U Puissance en watt (W) I P = U I Tension en volt () A W Intensité en ampère (A) R R = 10 I 2 R I 2 P lue sur le wattmètre Énergie électrique. Courant alternatif > 131

4 132 < Activité 3 OBSERATIONS 12. Énergie électrique. Courant alternatif > Complétez les phrases suivantes : Les produits R I 2 sont aux valeurs lues sur le wattmètre. Lorsqu il est parcouru par un courant électrique, le résistor produit de la CONCLUSION Le produit R I 2 est égal à la puissance électrique consommée par le résistor. La relation entre la puissance électrique P consommée par un résistor, sa résistance R et l intensité I du courant qui le traverse est : Puissance en watt (W) P = R I 2 Résistance en ohm( ) Tout conducteur parcouru par un courant est le siège d un dégagement de chaleur : c est l effet Joule. Mesurer l énergie électrique Le compteur électrique permet de mesurer la puissance consommée par un appareil durant un certain temps. Cette mesure est appelée énergie électrique et se note E ou W. Dans les habitations, l énergie électrique consommée se lit sur le compteur électrique que seul un agent de l EDF (Électricité De France) peut installer. Il existe trois méthodes pour connaître l énergie consommée par un appareil électrique. Étudions-les dans le cas du lave-linge. Première méthode Le cadran du compteur électrique indique, avant le fonctionnement du lave-linge, kwh. Après une heure de fonctionnement, le compteur indique kwh. Il suffit de faire la différence entre ces deux valeurs. Intensité en ampère (A) ETS ELEC kwh TYPE L7C2 APPROUÉ LE A C = 2,5 Wh/tr. 50 Hz MONOPHASE 2 FILS No J > Calculez l énergie électrique consommée en une heure par le lave-linge en supposant qu il ait été le seul appareil électrique à fonctionner dans l habitation : E = CL 2o

5 On peut aussi compter le nombre de tours effectués par le disque du compteur électrique. Sachant qu à chaque tour, l énergie consommée est de 2,5 Wh (constante C), il suffit d utiliser la relation : Énergie consommée (Wh) = Constante C (Wh/tr) Nombre de tours On a compté que le disque faisait 66 tours en une minute. > Calculez, en Wh, en utilisant la relation précédente, l énergie consommée par le lave-linge en une minute : > Calculez, en Wh, l énergie consommée par le lave-linge en une heure : > Convertissez votre résultat en kwh : L énergie électrique consommée peut être calculée à l aide de la formule : Si la puissance P est exprimée en watt (W) et le temps t en heure (h), l énergie électrique E s exprime en wattheure(wh). Si la puissance P est exprimée en kilowatt (kw) et le temps t en heure (h), l énergie électrique E s exprime en kilowattheure (kwh). Si la puissance P est exprimée en watt (W) et le temps t en seconde (s), l énergie électrique E s exprime en joule (J). > Calculez, en Wh, l énergie consommée par le lave-linge en une heure. La puissance électrique du lave-linge est de W. > Convertissez votre résultat en kwh : Deuxième méthode E = E = E = Troisième méthode E= P t E = E = > Convertissez votre résultat en joule (rappel : il y a secondes dans une heure) : E = Énergie électrique. Courant alternatif > 133

6 134 < Activité 4 M A T É R I E L 1 générateur de courant continu 6 1 oscilloscope réglé sur 2 /div des fils de connexions oir des tensions 12. Énergie électrique. Courant alternatif Un oscilloscope est un appareil qui mesure des tensions : il se branche donc en parallèle aux bornes des éléments d un circuit électrique. Surtout, il permet de voir comment varie une tension au cours du temps. Ce que l on voit sur son écran s appelle un oscillogramme. Comme sur un voltmètre, on peut régler le calibre des tensions, mais en plus, on peut régler la vitesse avec laquelle le point lumineux se déplace sur l écran. MODE OPÉRATOIRE 6 Expérience 1 > Reliez la borne + du générateur à la borne + de l oscilloscope. > Reliez la borne du générateur à la borne de l oscilloscope. Allumez l oscilloscope. Notez la position du trait lumineux. > Allumez le générateur. Notez la forme et la position du trait lumineux. Tracez ci-dessous ce que vous voyez sur l écran : t OSCILLOSCOPE t

7 M A T É R I E L 1 générateur de courant alternatif 6 1 oscilloscope réglé sur 2 /div des fils de connexions > Calculez la valeur de la tension, sachant qu en ordonnée, un carreau représente 2. OBSERATION > Complétez : Lorsqu on allume le générateur, le trait lumineux mais est toujours une droite. La valeur de la tension est de CONCLUSION > Le trait lumineux est une droite en courant continu. MODE OPÉRATOIRE 6 Expérience 2 > Reliez la borne + du générateur à la borne + de l oscilloscope. > Reliez la borne du générateur à la borne de l oscilloscope. Allumez l oscilloscope. Notez la position du trait lumineux. > Allumez le générateur. Notez la forme du trait lumineux. Tracez ci-dessous ce que vous voyez sur l écran. t OSCILLOSCOPE t 12. Énergie électrique. Courant alternatif > 135

8 136 < Activité 5 M A T É R I E L 1 oscilloscope réglé sur le calibre 2/div 1 résistor de résistance 6 ohms 1 rhéostat 1 générateur de courant alternatif 6 1 multimètre commuté en voltmètre des fils de connexions OBSERATION 12. Énergie électrique. Courant alternatif > Lorsqu on allume le générateur, le trait lumineux n a plus la même CONCLUSION > Le trait lumineux (qui représente la tension) décrit une courbe. Cette courbe varie alternativement vers le haut et vers le bas : on parle de courant alternatif. De plus, la même figure, appelée sinusoïde, se répète à des intervalles de temps constant, appelés périodes T. On parle alors de tension sinusoïdale. Une tension sinusoïdale est caractérisée par sa période T en seconde (s). On peut aussi la caractériser par sa fréquence qui est l inverse de la période. La fréquence s exprime en hertz (Hz). Une tension sinusoïdale est aussi caractérisée par sa valeur maximale ( ). Fréquence en hertz (Hz) La fréquence de la tension distribuée par EDF est de 50 Hz. Distinguer tension maximale et tension efficace MODE OPÉRATOIRE Oscillogramme 1 f = -- T > Réalisez le montage électrique correspondant au schéma ci-dessous : t OSCILLOSCOPE T Période en seconde (s) 6 G

9 > Placez le curseur du rhéostat pour avoir une résistance maximale. > Allumez l oscilloscope. > Allumez le générateur. > Notez la valeur de la tension U lue sur le voltmètre. U = > Calculez la valeur de la tension maximale lue sur l oscilloscope. = La valeur de la tension U lue sur le voltmètre est différente de la valeur lue sur l oscilloscope. On appellera désormais U efficace ( U eff ) la valeur de la tension lue sur le voltmètre. > Faites varier la position du curseur du rhéostat pour obtenir trois autres valeurs de et. U eff Complétez le tableau suivant : () U eff () U max U eff OBSERATION > Complétez d après le tableau : U eff Le quotient est et égal à environ CONCLUSION U eff > Le quotient est en fait égal au nombre 2. La relation entre tension maximale et tension efficace est donc : = U eff 2 Il est en de même pour l intensité du courant : I max = I eff Énergie électrique. Courant alternatif > 137

10 138 < Retenons La puissance électrique La puissance électrique reçue par un appareil est donnée par la relation P= U I. La puissance dissipée par effet Joule dans un résistor est donnée par la relation : Énergie électrique L énergie électrique est la puissance consommée par un appareil électrique durant un certain temps t Elle se note E ou W et s exprime en Joule (J) ou en kilowattheure (kwh). Tension sinusoïdale La tension sinusoïdale est caractérisée par : son amplitude maximale notée exprimée en volt () que l on peut lire sur un oscilloscope ; sa période notée T exprimée en seconde (s) ; sa fréquence notée f exprimée en hertz (Hz). période et fréquence sont liées par la relation : Énergie électrique. Courant alternatif E= P t J W s P= R I 2 T 1 = -- f E= P t KWh KW Relation entre la tension maximale et la tension efficace = U 2 Relation entre l intensité maximale et l intensité efficace I max = I 2 h

11 EXERCICE Exercice 1 expérimental MATÉRIEL 1 générateur de tension continue 12 2 multimètres (ampèremètre et voltmètre) 1 interrupteur 1 lampe de 12 MODE OPÉRATOIRE Placez sur le schéma ci-dessous les appareils permettant de mesurer l intensité du courant et la tension aux bornes de la lampe. Réalisez le montage électrique correspondant au schéma. Fermez le circuit. 1. Déterminez la tension U aux bornes de la lampe : U = Déterminez l intensité I traversant la lampe : I = Calculez la résistance R de la lampe (rappel : U = R I ) : 4. Calculez la puissance consommée par la lampe : EXERCICES d entraînement Exercice 2 Une bouilloire électrique de puissance W fonctionne durant 5 minutes. Calculez, en Joule, l énergie électrique consommée. exercices 12. Énergie électrique. Courant alternatif > 139

12 Réservé aux enseignants - Reproduction interdite exercices - Nathan 140 < Exercice 3 Exercice 4 Exercice Énergie électrique. Courant alternatif Un fer à repasser absorbe, sous 230, une puissance de 1 kw. 1. Calculez l intensité du courant le traversant (arrondir à 0,01 A). 2. Déduisez la résistance de l élément chauffant (arrondir à 0,01 ). Pour partir en voyage dans certains pays étrangers, il faut se munir d une prise spéciale appelée adaptateur pour pouvoir brancher nos appareils électriques (par exemple, recharger un téléphone portable). La fréquence et la tension sont variables selon les pays. Complétez le tableau ci-dessous : Pays Tension Fréquence France Amérique du Nord Hz La plaque signalétique d un sèche-cheveux électrique comporte les indications ci-dessous : CE Type HD Hz W Made in France 1. Nommez les grandeurs et les unités indiquées. 2. Donnez le symbole qui permet de savoir que le sèche-cheveux fonctionne en courant alternatif Calculez l intensité du courant qui traverse le sèche-cheveux (arrondir à 0,01 A). 4. Calculez l énergie qu il consomme (en kwh) lorsqu il fonctionne pendant 30 minutes.

13 Exercice 6 Passons Exercice 7 1. Calculez la tension efficace d un signal de tension maximale Calculez la tension maximale d une tension efficace de 24. L EXAMEN Lors du contrôle du circuit de charge d une moto, on relève à l aide d un oscilloscope, la tension aux bornes de l alternateur (figure A), et aux bornes du Régulateur/Redresseur (figure B). Sensibilité verticale : 50 /Div Sensibilité horizontale : 20 ms/div figure B figure A Sensibilité verticale : 50 /Div Sensibilité horizontale : 20 ms/div 1. Indiquez la nature de la tension visualisée sur l oscilloscope (figure B). 2. Calculez la tension délivrée par le Régulateur/Redresseur. 3. Indiquez la nature de la tension visualisée sur l oscilloscope (figure A). 4. Calculez la tension maximale, ainsi que la tension efficace U aux bornes de l alternateur. = U = exercices 12. Énergie électrique. Courant alternatif > 141

14 Réservé aux enseignants - Reproduction interdite exercices - Nathan 142 < Exercice Énergie électrique. Courant alternatif 5. Calculez la période T du signal (figure A). 6. Calculez la fréquence f du signal (figure A). (D après CAP Productique et maintenance) Pour surveiller le toboggan de la piscine en plein air, le maître nageur se trouve dans une cabine chauffée par un convecteur électrique. Sur la plaque signalétique de cet appareil, on peut lire : 220 ; W. 1. Indiquez à quelles grandeurs correspondent les indications portées sur la plaque. 2. Donnez le nom de l appareil permettant de mesurer la grandeur Calculez l intensité du courant électrique qui traverse le convecteur (arrondir à l unité). 4. Cochez la case correspondant au fusible de protection le mieux approprié : 220 ; 5 A 220 ; 10 A 220 ; 16 A 5. Calculez l énergie consommée (en kwh) lorsque le convecteur fonctionne pendant 10 heures. (D après CAP du secteur 2)