Chapitre 16 : (Cours) Ressources énergétiques et énergie électrique

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1 Chapitre 16 : (Cours) Ressources énergétiques et énergie électrique I. Notions d électricité en courant continu (rappels) I.1. La tension électrique La tension électrique est une grandeur que l'on mesure à l'aide d'un voltmètre ; elle s'exprime en volts (V). Le voltmètre se branche en dérivation. La tension électrique existant entre deux points A et B est notée U AB. U AB = V A - V B avec U AB : Tension électrique existant entre les points A et B, en volts (V) V A : potentiel électrique au point A, en volts (V) V B : potentiel électrique au point B, en volts (V) Remarque : La tension électrique est une grandeur algébrique. U AB = V A - V B U AB = - (V B - V A ) U AB = - U BA I.. L intensité électrique L'intensité du courant électrique se mesure à l'aide d'un ampèremètre, elle s'exprime en ampères (A). L'ampèremètre se branche en série. Remarque : Le sens conventionnel du courant est celui du parcours du circuit, à l'extérieur du générateur, de la borne positive à la borne négative. II. tude énergétique d un récepteur électrique Toute la suite n est vraie pour les courants continus ( variables, sinusoïdaux). II.1. nergie et puissance électriques Un récepteur est un appareil qui convertit l'énergie électrique qu'il reçoit en une autre forme d'énergie. Un récepteur est dit passif si toute l'énergie qu'il reçoit est convertie en énergie thermique (conducteur ohmique par exemple). Un récepteur est dit actif s'il convertit une partie de l'énergie électrique qu'il reçoit en une autre forme d'énergie que l'énergie thermique. On applique la «convention récepteur» pour définir le sens dans lequel l intensité et la tension sont comptés «positifs» : le courant "descend" les potentiels. Chapitre 16 Ressources énergétiques et énergie électrique Page 1

2 L énergie électrique e reçue par le récepteur (en J) pendant la durée t (en s) est proportionnelle à la tension électrique U aux bornes du récepteur (en V) et de l intensité I du courant traversant le récepteur (en A). U.. I t e La puissance électrique notée P e (en W) traduit la «rapidité de transfert» de l énergie électrique e (en J) reçue par le récepteur pendant la durée t (en s). P e t e par définition Pe. U I x : DL (1 mw), Ampoule (100 W), Réfrigérateur (1 kw), Installation domestique (10 kw), Moteur TV (1 MW) II.. ffet Joule et loi d Ohm Un conducteur ohmique est un dipôle, caractérisé par sa résistance R. Toute l'énergie électrique qu'il reçoit est transformée en énergie thermique et en rayonnement (IR) par effet Joule. Il vérifie la loi d'ohm. La tension à ses bornes est proportionnelle à l'intensité du courant qui le traverse. U R. I - U : Tension électrique aux bornes du conducteur ohmique en volts (V) - R : Résistance du conducteur ohmique en ohms (Ω) - I : Intensité du courant traversant le conducteur ohmique en ampères (A) On appelle «effet Joule», l'effet thermique associé au passage du courant électrique dans un conducteur ohmique. L énergie dissipée par effet Joule J se calcule ainsi : Démonstration : U.. I t J J R I t R. I. I. t Remarque : La puissance P J dissipée par effet Joule est : J PJ R. I J R. I. t III. tude énergétique d un générateur électrique III.1. Tension aux bornes d un générateur Caractéristique d un générateur : La caractéristique U AB = f(i) d'un générateur a l'allure suivante : Chapitre 16 Ressources énergétiques et énergie électrique Page

3 Cette caractéristique est linéaire et ne passe pas par l'origine. Son équation est de la forme U = a.i + b. - L'ordonnée à l'origine b a la dimension d'une tension. Cette tension est appelée «force électromotrice du générateur» ou fem (que l on appelle aussi tension à vide) et est notée (en V). - Le coefficient directeur a est négatif et s'exprime en V.A -1, c'est à dire en ohms. Il a donc la dimension d'une résistance. Le coefficient directeur représente l'opposé de la résistance interne du générateur et est noté -r. On en déduit la loi d'ohm pour un générateur : U r I - U : Tension électrique aux bornes du générateur, en volts (V) - r : Résistance interne du générateur, en ohms (Ω) - I : Intensité du courant traversant le générateur, en ampères (A) III.. nergie transférée L énergie électrique fournie par le générateur (en J) pendant la durée t (en s) est proportionnelle à la tension électrique U à ses bornes (en V) et à l intensité I du courant qui traverse le circuit (en A). U I t ou I t r I t La puissance électrique notée P (en W) traduit la «rapidité de transfert» de l énergie électrique (en J) par le générateur pendant la durée t (en s). P t par définition. P U I x : roupe électrogène domestique (1 kw), Usine marémotrice (100 MW), Réacteur nucléaire (1 W). IV. Transferts d énergie IV.1. xemples de chaine énergétique Une chaîne énergétique illustre le principe de conservation d énergie. La somme des énergies qui «entrent» dans le système est égale à la somme des énergies qui en «sortent». xemple : un générateur électrique qui alimente un moteur qui élève un objet de masse m d une hauteur h. Le générateur fournie l énergie électrique e. Le moteur électrique transforme une partie de cette énergie en énergie mécanique m. Inévitablement l énergie est dissipée par effet Joule et par les frottements. Schéma du dispositif : Principe de conservation de l énergie : e = m + d Chapitre 16 Ressources énergétiques et énergie électrique Page 3

4 Schéma de la chaîne énergétique : IV.. Notion de rendement de conversion Le rendement de conversion d une chaîne énergétique, noté ρ, est un nombre positif défini comme le rapport de l énergie exploitable ou utile utile en sortie sur l énergie reçue en entrée reçue.. utile reçue Il faut exprimer les deux énergies dans la même unité. Le rendement ρ est une grandeur sans dimension (elle s exprime sans unité). Comme il y a des pertes inévitables dans une chaîne énergétique, l énergie utilisée en entrée est toujours supérieure à l énergie recueillie en sortie. Nécessairement, on a un rendement ρ < 1. Calcul d un rendement de conversion : La turbine d une centrale thermique reçoit en une heure une énergie de 70 J et l alternateur fournit au réseau électrique une énergie de 08 J. Représenter la chaîne énergétique. Calculer le rendement de conversion ρ de cette centrale. utile reçue ,77 77% Chapitre 16 Ressources énergétiques et énergie électrique Page 4

5 V. Ressources énergétiques V.1. Définition des ressources renouvelables et non renouvelables On distingue les ressources énergétiques renouvelables des ressources énergétiques non renouvelables selon leur durée d exploitation et leur durée de reconstitution. - Si le stock de ressources se reconstitue, par des mécanismes naturels, aussi vite ou plus vite qu il ne disparait par son exploitation, alors on parle de ressource énergétique renouvelable. x : éolien, hydraulique, solaire, géothermique, biomasse. (Le «solaire» est quasiment illimité à notre échelle de temps). - Si le stock de ressources se reconstitue moins vite (ou plus du tout) qu il ne disparait par son exploitation, alors on parle de ressource énergétique non renouvelable. x : les ressources fossiles comme le pétrole (hydrocarbures), le charbon, le gaz (méthane), ou les ressources nucléaires (uranium). V.. Inventaire des ressources disponibles Énergie chimique fossile : Charbon, pétrole et gaz naturel Énergie chimique Ressources : 00 ans pour le charbon 60 ans pour le gaz naturel 40 ans pour le pétrole Combustion Énergie éolienne : mouvement de l air (vent) Énergie mécanique Alternateur Ressources : Illimitées (Énergie renouvelable) Énergie nucléaire : Fission de l uranium 35 Énergie nucléaire Turbine + alternateur Ressources : 100 ans pour l uranium (ressources fissiles) Énergie hydraulique : Stockage de l eau par les barrages hydroélectriques Énergie mécanique Turbine + alternateur Ressources : Illimitées (Énergie renouvelable) La biomasse : Utilisation des végétaux Énergie chimique Combustion Ressources : Durée de croissance des végétaux (problème) / Renouvelables Chapitre 16 Ressources énergétiques et énergie électrique Page 5

6 Énergie solaire : Rayonnement solaire Énergie du rayonnement solaire Énergie du rayonnement solaire Panneaux voltaïques Capteurs solaires Ressources : Illimitées (Énergie renouvelable) mais problème de la durée de croissance des végétaux La éothermie : Sous-sol terrestre du sous-sol Ressources : ans Pompe à chaleur (pour chauffage) V.3. Stockage et transport de l énergie Stockage des énergies éolienne et solaire : Ce sont des énergies renouvelables qui dépendent des conditions climatiques. Leur production est donc intermittente. Il faut donc stocker l énergie récupérée. Actuellement, on dispose de deux possibilités : on peut utiliser les accumulateurs ou les barrages hydroélectriques. Dans les accumulateurs, l énergie électrique est stockée sous forme d énergie chimique. Dans un barrage hydroélectrique, l énergie électrique est convertie en énergie potentielle de pesanteur. Dans ce cas, au moment désiré, on fait couler l eau dans une conduite forcée. Cette eau fait tourner une turbine qui entraîne un alternateur et produit de l énergie électrique. Transport de l énergie électrique : L électricité est le mode principal de transport de l énergie. On utilise pour cela des lignes électriques dans lesquelles existe une dissipation de l énergie par effet Joule. Pour limiter cet effet Joule, on utilise des lignes haute tension (400 kv), car plus la tension est élevée, plus l énergie dissipée est faible pour une même énergie transportée. On utilise des transformateurs de tension soit pour élever la tension lors de son transport, soit pour la diminuer lors du service vers les utilisateurs. Au départ, il faut la fabriquer à partir d une source primaire fossile, nucléaire ou renouvelable. À l arrivée, pour se servir de l électricité, il faut la transformer : n travail : on utilise comme convertisseur le moteur électrique ; n chaleur : le convertisseur est le radiateur ; n froid : le convertisseur est le réfrigérateur ou le climatiseur n lumière : le convertisseur est la lampe électrique (lampe à incandescence, tube fluorescent, diode électroluminescente) ; n information : le convertisseur est l ordinateur, la télévision, Chapitre 16 Ressources énergétiques et énergie électrique Page 6

7 ****************************************************************** Notions et contenus Ressources énergétiques renouvelables ou non ; durées caractéristiques associées. Transport et stockage de l énergie ; énergie électrique. Production de l énergie électrique ; puissance. Conversion d énergie dans un générateur, un récepteur. Loi d Ohm. ffet Joule. Notion de rendement de conversion. Compétences exigibles Recueillir et exploiter des informations pour identifier des problématiques : - d'utilisation des ressources énergétiques ; - du stockage et du transport de l énergie. Argumenter en utilisant le vocabulaire scientifique adéquat. Distinguer puissance et énergie. Connaître et utiliser la relation liant puissance et énergie. Connaître et comparer des ordres de grandeur de puissances. Schématiser une chaîne énergétique pour interpréter les conversions d énergie en termes de conservation, de dégradation. Pratiquer une démarche expérimentale pour : - mettre en évidence l effet Joule ; - exprimer la tension aux bornes d un générateur et d un récepteur en fonction de l intensité du courant électrique. Recueillir et exploiter des informations portant sur un système électrique à basse consommation. Chapitre 16 Ressources énergétiques et énergie électrique Page 7