1 er S Energie électrique

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1 1 er S Energie électrique 1 Expression de l énergie électrique W e échangée par un dipôle électrique 11 Expérience On considère une expérience au cours de laquelle on transforme de l énergie électrique W e en énergie thermique Q I générateur de tension Dispositif de chauffage résistance chauffante eau calorimètre Résistance chauffante Energie électrique apportée par le générateur W e Energie thermique reçue par l eau et le calorimètre Q figure 2 figure 1 Le dipôle électrique correspond à notre résistance chauffante Elle reçoit de l énergie électrique, et (1) restitue une partie de cette énergie sous forme d énergie thermique à l eau 12 Dipôle électrique aexemples de dipoles électriques 1

2 figure 3 b Classification des dipoles électriques Il existe des dipôles récepteur, qui reçoivent de l énergie électrique et la transforme en une énergie (C 2) d une autre forme : diode DEL (énergie lumineuse), conducteur ohmique (energie thermique) Il existe des dipôles générateurs qui reçoivent en générale de lénergie chimique et la transforme en énergie électrique comme les piles figure 4 Intensité electrique I I correspond à la charge électrique Q mesurée en Coulomb qui traverse le dipôle par seconde, I se (3) mesure en Ampère (A) Exemple1 I = 1 A ( chaque seconde le dipôle est traversé par une charge de 1 Coulomb) Exemple2 I=3 A ( chaque seconde le dipôle est traversé par une charge de 3 Coulomb) Charge électrique Q qui traverse le dipôle pendant dune durée t (4) En une seconde le dipôle est traversé par la charge I*1 Pour une durée Deltat le dipôle est traversé par la charge Q = I t Signification de la tension électrique U aux bornes du dipole La tension électrique est une grandeur énergétique : elle correspond à l énergie qu échangerait une (5) charge de 1 coulomb en traversant le dipôle 2

3 13 Energie électrique échangé par le dipole : W e energie électrique dipole = energie pour un coulomb* nombre de coulomb qui traversent le dipole (C 6) pendant la durée t W e = U I t 2 Puissance électrique 21 Les lasers de puissance à impulsions ultracourtes On trouve aujourdhui des lasers un peu partout autour de nous : dans les films de science-fiction bien sûr, mais aussi dans lindustrie pour découper ou percer des matériaux, dans les lecteur de CD, dans les télémètres lasers ou les bistouris des chirurgiens Un laser est caractérisé par une émission de lumière dite cohérente : tous les photons émis ont la même longueur donde, la même phase et la même direction Autrement dit, le laser produit un rayon intense, directionnel, dune couleur bien définie Parmi ces lasers, une classe bien particulière produit des impulsions extrêmement courtes, de moins dun millionième de millionième de seconde : cest celle qui nous intéresse dans ce dossier Les lasers ultrabrefs ont la particularité de concentrer lénergie de leurs impulsions dans un temps très bref et donc de fournir une très grande puissance pour une énergie raisonnable figure 5 LASERS NANOSECONDE Dédiée à la technologie nanoseconde, elle permet le développement de nouvelles applications telles que le microperçage, le marquage, le nettoyage, le traitement de surface ou la microdécoupe dans différents secteurs industriels, notamment automobile, aéronautique, agroalimentaire, spatial Grâce à leur durée dimpulsion comprise entre 10 et 200 nanosecondes, ces lasers ont la même puissance que les lasers traditionnels, mais ils ont lavantage de réaliser du micro-usinage de très grande précision, sans échauffement du matériau, celui étant directement vaporisé sans passage par l état liquide Durée de limpulsion : 5 nanosecondes Énergie laser par impulsion : 0,5 millijoule figure 6 22 Relation entre puissance P et énergie W Il s agit d une relation très générale quelquesoit le type d énergie considérée (lumineuse, électrique, thermique) On considére un dispositif échangeant de l énergie W pendant une durée t Soit P la puissance correspondante 3

4 3 2 (7) Exercice a Laser nanoseconde Calculer la puissance émise par ce type de laser; b Puissance échangée par une personne Une personne transporte un sac de ciment ( de masse = 20 kg) du rez de chaussée d un immeuble jusqu au cinquième étage (soit un gain d altitude h = 15 mètres) On montre qu il faut pour cela fournir l énergie W = mgh 3000 J En déduire la durée minimale si l on considère que la personne peut délirer au maximum une puissance musculaire de 400 Watt 3 L effet Joule 31 Description microscopique On considère un solide par exemple un morceau de métal constitué d une infinité d atome identiques électrons Position d équilibre Position d équilibre Le passage d un courant électrique s accompagne d un déplacement d électrons Ces électrons en heurtant les atomes vont augmenter leur agitation (C 8) Lorqu un solide est traversé par un courant électrique on observe une augmentation de sa température : cela correspond à l éffet Joule Température θ 1 Température θ 2 > θ 1 4

5 32 Conducteur ohmique a Loi d Ohm Un dipôle est qualifié de dipôle ohmique s il obéit à la loi d Ohm : la tension U à ses bornes est proportionnelle à l intensité I qui le traverse (C 9) U = R I U en volt, I en ampère, R une constante caractéristique la résistance du dipôle mesurée en Ohm (Ω) b Energie électrique reçue par le conducteur ohmique On montre que l intégralité de l énergie électrique reçue par le conducteur ohmique est converti en (10) énergie thermique c Expressions de l énergie électrique reçue par le conducteur ohmique On rappelle, pour le conducteur ohmique : U = R; I et I = U R (C 11) W e = UI t = (RI)I t donc W e = RI 2 t W e = UI t = U U R t donc W e = U 2 R t Un conducteur ohmique de résistance R = 220 Ω est soumis à une tension U = 220 Volt pendant une heure 1 Caculer l intensité I traversant le conducteur, 2 En déduire l énergie électrique reçue par ce conducteur pendant une heure 5

6 4 Les différentes énergies disponibles 41 Exemples Energie primaire Chimiques Lumineuse Eolienne Hydraulique Nucléaire Géothermie Ressources Pétrole, gaz, bois, espèces chimiques consommées dans une pile Rayons du Soleil Vent Chute d eau cours d eau Uranium Sources d eau chaude situées en profondeur Chauffage de la ville de Creil au Nord de Paris 42 Ressources énergétiques non renouvelables Activité page 260 Définition (C 12) Le temps nécessaire à renouveler ces ressources est très grand devant celui mis pour les consommer Les énergies fossiles (pétrole, charbon, gaz naturel) sont des ressources d énergies non renouvelables De meme les énergies fissiles tels que l uranium sont aussi non-renouvelables Avantages et Inconvénients de ce type de ressources Par essence ce type de ressource va tendre à disparaitre d ici une échéance plus ou moins lointaine De plus elles produisent des déchets problématiques (CO 2 gaz à effet de serredéchets nucléaire) (13) Par contre ce type de ressources est facilement stockable, il permet de disposer à la demande (quand on veux) d énergie 6

7 43 Ressources énergétiques renouvelables (C 14) Le temps nécessaire à renouveler ces ressources est faible devant celui mis pour les consommer ressource Hydraulique, géothermique, éolienne, lumineuse Avantages et Inconvénients de ce type de ressources Ce type de ressource produit peu de déchet (15) Par contre elles sont difficilement stockable, il n est pas toujours facile de produire ces énergies en continu 44 Transport et stockage de l énergie Transport des énergies fossiles On transporte facilement ces ressources énergétiques à l aide de gazoducs, pipe-line, pétroliers Transport de l électricité figure 7 (16) Ici l énergie perdue entre la centrale et l usine est faible figure 8 figure 9 7

8 Maintenant l énergie perdue dans les fils entre la centrale et l usine est importante Elles est perdu (17) sous forme d énergie thermique On modélise les fils par des conducteurs ohmique de résistances R figure 10 Soit l expression mathématique de l énergie perdue dans les fils : (18) W perdue = 2RI 2 t Pour limiter les pertes en ligne dans les fils il faut limiter l intensité I dans les fils figure 11 La puissance reçue par le transformateur est quasi égale à celle délivrée à l usine : les transformateurs n absorbent pas d énergie (19) I I d où I = I 10 En élevant la tension dans les lignes on diminue l intensité qui circule dans celles-ci donc les pertes en ligne 45 Stockage des ressources énergétiques Energies fossiles, fissiles Pétrole, gaz, uraniumces énergies sont facilement stockable (réservoir à essence, bonbonne de (20) gaz, cuves Energie électrique 8

9 L energie électrique est stockable en faible quantité : piles, accumulateur (21) Par contre en grande quantités (production d une centrale électrique) c est plus difficile La totalité de l énergie produite doit etre consommé immédiatement : il faut en permanence ajusté la production à la consommation 5 Les différents dispositifs de conversion d énergie 51 Exemples figure 12 figure 13 figure Production d énergie électrique Principe d un alternateur figure 15 Lorsque l on déplace un aimant devant une bobine (22) de fil conducteur on observe l apparition entre les bornes de la bobine d une tension électrique 9

10 Principe d une centrale thermique figure 16 La centrale consomme du pétrole, du charbon, du gaz (23) Une partie de l énergie thermique libérée lors de la combustion des ressources précédente est transformée en énergie électriques figure 17 10

11 6 Rendement d un dispositif de conversion d énergie Schéma bloc figure 18 Par convention les énergies W entree, W sortie et W perdue sont ici comptées positivements Principe de conservation de l énergie Un dispositif ne fait que changer la nature d une énergie En aucun cas il ne va créer de l énergie On observe la conservation de l énergie : W entree = W sortie + W perdue (24) Selon l efficacité du dispositif, seul une fraction de l énergie d entrée est converties, donc se retrouve à la sortie W entree > W sortie 11

12 Rendement du dispositif : η Le rendement η évalue l efficacité du dispositif, Si toute l énergie d entrée se retrouve en sortie ( W entree = W sortie alors ν = 100% Si seulement la moitié de l énergie d entrée se retrouve à la sortie W sortie = 0, 5 W entre alors η = 50% (C 25) ν = W sortie W entree 100 Exemples de valeurs numériques de rendements nature W entree Dispositif nature W sortie Rendement moyen Soleil Panneaux photovoltaique électricité 20 % Vent, chute d eau alternateur électricité proche de 100 % Chimique (pétrole, ) charbon, centrale thermique électricité 30 % 12