Activité Dipôles électriques

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1 1. Résistance Activité Dipôles électriques Une résistance est un composant électronique ou électrique dont la principale caractéristique est d'opposer une plus ou moins grande résistance à la circulation du courant électrique. Dessiner le symbole de la résistance. Rappeler la loi d Ohm. Donner les unités de tous les termes. On a U = RI avec U en Volt, I en Ampère et R en Ohm. Tracer la caractéristique de la résistance (graphe U(I)) On observe une droite. Fabrication Pour fabriquer les «résistances», il existe plusieurs technologies. La plus utilisée consiste à déposer une fine couche de carbone, matériau faiblement conducteur, sur un support cylindrique de céramique, matériau isolant. Le tout est enrobé d une laque de protection. Comment varie sa résistance en fonction de l et S? La résistance augmente avec la longueur mais diminue lorsque la section augmente. Remarque : Un simple fil électrique est une résistance. Par contre on considèrera les fils des circuits électriques parfaits i.e. de résistance nulle. La résistance électrique du corps humain Le corps humain, composé de beaucoup d eau (65 % en moyenne), est conducteur du courant électrique. Si une personne est soumise à une tension électrique, par exemple entre sa main gauche et sa main droite, ou entre sa main et le sol, un courant électrique va traverser son corps. Voici quelques valeurs moyennes de l intensité du courant et ses effets sur le corps humain dans le cas où la tension à laquelle la personne est soumise est de 220 V (tension du secteur) :

2 Mais pourquoi l intensité du courant peut-elle avoir des valeurs si différentes, pouvant aller de 1 ma à 1 A (comme l indique le tableau) alors que la tension est toujours de 220 V? Le corps humain est assimilable à un dipôle ohmique : l intensité I = U. Plus la résistance est R grande, plus l intensité est petite (et donc plus le danger est faible). Les mesures de la résistance électrique du corps humain ont montré que celle-ci est la somme de deux termes : - la résistance de la partie interne du corps - la résistance de la peau La résistance de la partie interne du corps a une valeur assez constante de l ordre de quelques centaines d ohms. Mais, en ce qui concerne la résistance de la peau, c est plus compliqué car de nombreux facteurs entrent en jeu, notamment : - l état de la peau (sèche, humide, mouillée, immergée) - la qualité du contact (surface de contact, force d appui...) En conclusion, la résistance du corps humain peut donc varier, selon les circonstances, de quelques centaines d ohms à quelques dizaines de milliers d ohms. Une personne, ayant les mains mouillées, est soumise à une tension de 220 V. Cette personne est-elle en danger? Que dire si la personne avait les mains sèches? Pour les mains mouillées on a R 1 kω donc I 0,23 A ce qui implique une fibrillation cardiaque. Pour les mains sèches on a R 3 kω donc I 0,07 A ce qui implique une fibrillation cardiaque moins dangereuse. Effet Joule Rappeler la puissance reçue par un récepteur. Donner alors la puissance reçue par une résistance. On a P = UI = RI² Cette puissance est dissipée par la résistance en chaleur. On parle alors d effet Joule. Les pertes d énergie par effet Joule représentent pour tous le réseau (transport et distribution) environ 6% de l énergie électrique produite en France.

3 Calculer la puissance dissipée en effet Joule dans les deux fils du circuit. On a P J = 2RI 2 = 2 0, = 500 W Calculer la puissance reçue par la charge M. On a P reçue M = = 4500 W Quelles solutions proposez-vous pour réduire ces pertes en ligne? Il faut diminuer l intensité. Pour conserver la même puissance il faut augmenter la tension entre les deux fils. Expliquer pourquoi EDF transporte l électricité avec des lignes UHT. Les lignes UHT diminuent les pertes par effet Joule 2. Condensateur Un condensateur est un composant constitué de deux armatures métalliques séparées par un isolant électrique. Ils sont présents dans presque tous les circuits électriques en régime variable (ordinateur, tél. portable). Proposer un schéma électrique du condensateur. Principe Les électrons du courant électrique ne traversent pas l isolant. Mais l arrivée un électron sur une des plaques va provoquer par répulsion électrique le départ d un électron de l autre plaque. En conséquence, une plaque, ou armature, se charge négativement, et l autre positivement. Lorsqu une tension U est appliquée entre les armatures, il apparaît des charges opposée, +q et q sur les armatures. La charge +q est proportionnelle à U : q = CU. C est la capacité du condensateur et s exprime en Farad (de symbole : F). Comment varie la capacité si on augmente la surface S? Si la surface augmente la charge que prend l armature augmente donc C augmente aussi. Trouver la relation qui relie la tension à la borne du condensateur et l intensité qui le traverse. On sait que I = dq = d(cu) = C du Quel est le comportement d un condensateur en régime permanent? En régime permanent on a I = 0, le condensateur est comme un fil ouvert

4 Charge On applique une tension E constante aux bornes du condensateur. Décrire le déplacement des électrons. Comment se comporte le condensateur lorsqu il est chargé? La charge va augmenter jusqu à saturation. La tension va augmenter jusqu à saturation. L intensité va diminuer jusqu à s annuler. Energie Un condensateur stocke de l énergie électrique. Calculer la puissance que reçoit un condensateur. P reçue C = iu = Cd(U2 /2) On sait que P = de touver alors l énergie stockée dans un condensateur. E stockée C = CU2 2 La technologie des condensateurs supercondensateur. ne cesse de progresser. Aujourd hui on parle de Condensateur 0,1 Farad 16 V Supercondensateur 800 Farad 2,5 V Comparer l énergie stockée dans un condensateur classique et un supercondensateur. On a E stockée C = 12,8 J et E stockée C = 5,5 kj 3. Bobine Une bobine est constituée d'un enroulement de fil conducteur éventuellement autour d'un noyau en matériau ferromagnétique. On symbolise la bobine : Principe Lorsqu'on soumet une bobine à un courant d'une intensité I, on observe que l'intensité du circuit augmente progressivement jusqu'à atteindre l'intensité I fournie par le générateur. À présent si l'on coupe l'alimentation de ce circuit, l'intensité le parcourant n'atteint 0 qu'au bout d'un laps de temps, la bobine permet donc de ralentir l'installation ou la disparition de l'intensité dans un circuit.

5 On a la tension au borne de la bobine qui vaut U L = Ldi. L est l inductance de la bobine, elle s exprime en Henry (de symbole : H). Charge On applique une tension E constante aux bornes du condensateur. Décrire le déplacement des électrons. Comment se comporte la bobine lorsqu elle est chargée? Les électrons vont mettre du temps pour attendre l autre bout de la bobine. L intensité va donc croitre progressivement jusqu à un maximum. Lorsque le régime permanant est atteint la bobine se comporte comme un simple fil parfait. Energie Une bobine stocke de l énergie électrique. Calculer la puissance que reçoit une bobine. P reçue L = iu = Ld(i2 /2) On sait que P = de touver alors l énergie stockée dans une bobine. E stockée L = Li2 2 Les inductances de laboratoire ont une inductance de 25 mh et sont traversée par un courant de 5 A. Calculer l'énergie emmagasinée. On a E stockée L = 625 J Aujourd hui il existe des bobines supraconductrices capables de stocker de l énergie en les court-circuitant sur elles-mêmes. Ces bobines possèdent des résistances internes nulles. Ces bobines on des inductances de 0,10 H et son parcourue par un courant d intensité 500 A. Que vaut l énergie stockée? On a E stockée L = 25 kj