Énergie électrique et circuits électriques en «alternatif».

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1 Partie B: Énergie électrique et circuits électriques en «alternatif». Chapitre 1 : Chapitre 2 : périodique. Chapitre 3 : Chapitre 4 : La production d'électricité. Tension continue et tension alternative Mesures de tensions. Puissance et énergie électriques.

2 Chapitre 1 : La production d'électricité. 1. Les centrales électriques. Les centrales électriques fonctionnent toutes sur le même principe : une source d'énergie (vent, charbon, uranium...) fournit de l'énergie mécanique à une turbine qui fournit de l'énergie mécanique à un alternateur. Ce dernier convertit l'énergie mécanique reçue en énergie électrique. C'est l'élément commun à toutes les centrales. Le rendement n'est pas de 100% ; il y a des pertes d'énergie sous forme de chaleur. Diagramme énergétique d'une centrale électrique : Énergie mécanique turbine Alors que dans le monde 68% des centrales sont thermiques (leur combustible est fossile : pétrole, charbon, gaz naturel), la production d'électricité de la France est majoritairement d'origine nucléaire (75%). 2. Énergie renouvelable ou non. Les sources d'énergies d'une centrale peuvent être renouvelables (Soleil, vent, eau, biomasse ou terre) ou non (pétrole, charbon, gaz naturel ou uranium).

3 Une énergie est renouvelable si elle se constitue ou se reconstitue plus vite qu'elle n'est utilisée. Sa consommation ne diminue pas la ressource à l'échelle humaine. 3. Fonctionnemment d'un alternateur. Un alternateur est formé d un aimant appelé rotor qui tourne à vitesse constante devant ou à l intérieur d un enroulement de fil (la bobine) appelé stator. Le rotor est mis en rotation grâce à de l'énergie mécanique qu'il reçoit le plus souvent d'un jet de vapeur d'eau qui passe dans une turbine. L'eau est chauffée jusqu'à la vaporisation grâce aux combustibles utilisés dans les différentes centrales électriques (uranium, biomasse, charbon...) Dans le cas des centrales marémotrices, le rotor reçoit de l'énergie mécanique du fait du passage de l'eau dans une turbine. Une tension électrique variable dans le temps (sinusoïdale, alternative et périodique) est alors créée aux bornes de la bobine puis envoyée dans le réseau électrique pour être distribuée aux usagers.

4 Chapitre 2 : Tension continue et tension alternative périodique. 1. Tension continue et tension variable au cours du temps. Une tension est continue si sa valeur ne varie pas au cours du temps. Sinon, c'est une tension variable au cours du temps (ex: le déplacement d'un aimant devant une bobine produit une tension variable). Une tension continue Une tension variable au cours du temps 2. Tension alternative. Une tension est alternative si sa valeur varie au cours du temps en étant successivement positive puis négative (un alternateur produit une tension alternative). Exemple: Elle est périodique si la tension est formée d'un même motif qui se répète au cours du temps.

5 Exemples: 3. Caractéristiques d'une tension alternative et périodique. Une tension alternative et périodique est caractérisée par trois grandeurs: 1. Valeur maximale.. La valeur maximale est la plus grande valeur positive atteinte par la tension. Elle se mesure entre l'axe des abscisses et le sommet de la courbe et s'exprime en volt (V). 2. Période. La période d une tension périodique est la durée d un motif. Elle se mesure en seconde, horizontalement le long de l'axe des abscisses et se note T. 3. Fréquence. La fréquence est le nombre de motifs par seconde. Elle se note f et s exprime en Hertz (Hz). Une fréquence ne se mesure pas sur un oscillogramme, elle se calcule à partir de la valeur de la période.

6 La relation mathématique qui lie la fréquence et la période est : T = 1/f ou f = 1/T. avec la période T exprimée en seconde(s) et la fréquence f exprimée en Hertz (Hz). Exemple : Sur cette courbe, le motif élémentaire est représenté en rouge. Echelle : 1 carreau correspond à 2V en ordonnée. 1 carreau correspond à 20 ms en abscisse. U max = 3 carreaux x 2V/carreau = 6V T = 4 carreaux x 20 ms/carreau = 80 ms = 0,08 s On en déduit: f = 1/ 0,08 = 12,5 Hz

7 Chapitre 3 : mesures de tensions. 1. Rôle et utilisation d'un oscilloscope. Un oscilloscope est un appareil de mesure qui permet de voir et de mesurer la tension en fonction du temps. La courbe obtenue s'appelle un oscillogramme. Sur l'oscilloscope: le bouton de la sensibilité horizontale en (s/div) ou (ms/div) ou (µs/div) permet de mesurer la période du signal périodique. Pour cela, on compte le nombre de carreaux (ou divisions) qui sépare horizontalement le début de la fin d'un motif. On multiplie ensuite ce nombre par la sensibilité horizontale et on obtient la période de la tension périodique étudiée (en seconde (s), milliseconde (ms) ou microseconde (µs)). le bouton de la sensibilité verticale en (V/div) permet de mesurer la tension maximale du signal alternatif. Pour cela, on multiplie le nombre de divisions entre l'axe des abscisses et le sommet de la courbe par la sensibilité verticale en (V/div). 2. Tension efficace et tension maximale. Pour un même appareil électrique délivrant ou recevant une tension sinusoïdale: on mesure la tension efficace (délivrée par le générateur ou reçue par le récepteur) grâce à un voltmètre utilisé en alternatif, on mesure la tension maximale de l'appareil grâce à un oscilloscope. Ces deux tensions sont liées par la relation: U max = 2 x U eff ou U max = 1,4 x U eff car 2 vaut environ 1,4 1. Tension du secteur. En France, le réseau d'électricité distribue une tension alternative, sinusoïdale et périodique appelée tension du secteur. C'est ce qui arrive au niveau des prises dans nos maisons. Sa valeur efficace U eff vaut entre 220 et 230 V. Ainsi, en France, tous les appareils électriques fonctionnent sous une tension de 220 à 230 V. Sa fréquence est de 50 Hz. Ces valeurs changent selon le pays. Ex : en Angleterre, U eff = V, f = 50Hz mais la forme des

8 prises changent. Aux Etats-Unis, U eff = 110/115 V, f = 50Hz mais la forme des prises changent.