STPI1 P3-Electricité. CM1 Lois générales des circuit électriques, générateurs, dipôles

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1 STPI1 P3-Electricité CM1 Lois générales des circuit électriques, générateurs, dipôles 1

2 Générateur de tension Générateur idéal de tension : entretient entre ses bornes une différence de potentiel (tension) constante Cette tension = force électromotrice du générateur E (V) E En pratique on utilise une pile. La tension est maximale aux bornes d une pile lorsque qu elle ne débite aucun courant. Une pile n est donc pas un générateur idéal de tension 2

3 Comment obtenir un générateur de tension? Dans une pile électrochimique, les propriétés oxydoréductrices des constituants engendrent une différence de potentiel continue entre les deux demi-piles. Un champ magnétique et une bobine en rotation relative engendrent dans celle-ci une f.e.m. alternative. C est le principe des alternateurs (couplés à des turbines, des éoliennes, etc.) Une photodiode éclairée se comporte en générateur de tension continue. Elle convertit l énergie électromagnétique reçue en énergie électrique. V img-europe.electrocomponents.com 3

4 Ordre de grandeur de tension usuelle Phénomène Pile du commerce Potentiel d action de la cellule nerveuse Réseau de distribution E.D.F. Tension d'alimentation du TGV Ligne de transport à haute tension Foudre (tension entre ciel et terre pendant un orage) Tension 1,5 V ; 4,5 V ; 9 V autour de 75 mv 127 V ; 230 V ; 380 V 25kV 150 kv à 500 kv kv à kv 4

5 Potentiel Potentiel (V) : Caractérise l état électrique du circuit, s exprime en volt (V) Une tension est une différence de potentiel Délicat à définir très rigoureusement (sera fait en STPI2 en P5) Le potentiel ne varie pas le long d un fil de connection. Référence de potentiel : les potentiels sont définis à une constante près. Par convention, le point du circuit de potentiel le plus faible a pour potentiel 0 V, on appelle ce point la masse du circuit. 5

6 Nature du courant Courant électrique = déplacement d un ensemble de porteurs de charges (microscopiquement) Sens conventionnel du courant : par convention, le courant descend les potentiels à l extérieur des générateurs I > 0. Courant conventionnel dans le sens inverse des électrons dans un conducteur métallique. 6

7 Courant et potentiel C est la différence de potentiel dans un circuit qui engendre la circulation d un courant électrique (et non l inverse) B C A D 7

8 A Intensité du courant Mesure du débit de charges, positive ou négative Choix d un sens arbitraire pour i C s où dq est la quantité de électricité qui traverse la section Σ dans le sens de i pendant la durée dt Si V M > V N : i = +I Courant conventionnel de M vers N Si V M < V N : i = -I Courant conventionnel de N vers M 8

9 Vitesse des électrons et courant Ordre de grandeur de la vitesse moyenne des électrons due à la différence de potentiel dans un conducteur métallique <V>= 10-4 m.s -1 A cela s ajoute le phénomène d agitation thermique (vu en P1-1) vitesse moyenne nulle, ordre de grandeur 10 5 m.s -1 vitesse de propagation du signal électrique v ~c = vitesse de la lumière dans le milieu m.s -1 9

10 Ordre de grandeur d intensité de courant Phénomène DEL classique Ampoule à incandescence Radiateur 2000 W Démarreur automobile Moteur de locomotive Foudre (éclair) Intensité du courant 10 ma 1 A 10 A 100 A 1 ka 10 à 200 ka 10

11 Vocabulaire 4 noeuds 6 branches 5 mailles (au moins) 11

12 Vocabulaire : exemple Dipôles traversés par la même intensité : G et D 1 D 1 et D 2 D 1 et D 3 D 3 et D 4 Tensions égales aux bornes de : Association (G,D 1 ) et D 2 D 3 et D 4 D 2 et D 4 Association (D 3,D 4 ) et D 2 D 1 D 3 G D 2 D 4 12

13 Vocabulaire : exemple Dipôles traversés par la même intensité : G et D 1 D 3 et D 4 Tensions égales aux bornes de : Association (G,D 1 ) et D 2 Association (D 3,D 4 ) et D 2 D 1 D 3 G D 2 D 4 13

14 Résistance Dans un métal, les atomes du réseau cristallin exercent ce qui s apparente à une force de frottement sur les électrons de conduction. Le métal exerce une résistance au passage du courant. La résistance est liée à la capacité du composant à s opposer au passage du courant. 14

15 Résistance Loi d Ohm i R La résistance R s exprime en Ohm (Ω) U en convention récepteur: U = R.i Convention récepteur : Flèche de tension et de courant dans des sens opposés On introduit aussi la conductance G, exprimée en Siemens (S) G = 1 R 15

16 Convention Convention générateur Convention récepteur E i R U i Convention générateur : Flèche de tension et de courant dans le même sens en convention récepteur: U = R.i Convention récepteur : Flèche de tension et de courant dans des sens opposés 16

17 Puissance absorbée par un dipôle Puissance électrique absorbée: i (D) P abs (W) U U i (V) (A) Loi de Joule : puissance absorbée par une résistance P J = U. I = R. I 2 = U2 R 17

18 Association de résistance Association de résistances en série R1 R2 R12 18

19 Association de résistance Association de résistances en parallèle R1 R2 R12 19

20 dénivellation tension Analogie hydraulique P A B C z P vanne courant d'eau P (V P ) A B C inter R 1 pompe D conduite forcée E G D générateur courant électrique E résistance R 2 z N N bassin F N (V N ) fil F 20

21 Erreurs Erreur : on ne dit pas «tension qui traverse une résistance» On dit : Un courant traverse une résistance. Il existe une tension (une différence de potentiel) aux bornes d une résistance. 21

22 Lois de Kirchhoff Lois des noeuds i5 i1 i2 i4 i3 22

23 Lois de Kirchhoff Lois des mailles = loi d additivité des tensions A U 3 B U 2 D U 1 C 23

24 Lois de Kirchhoff Lois des mailles en pratique i? Méthode: * Choisir des sens pour les courants (les plus pratiques). * Flécher les tensions aux bornes de chaque dipôle * Choisir un sens de parcours de la maille. * Appliquer la loi des mailles: les tensions sont affectées d'un signe + si la flèche symbolisant la tension correspond au sens de parcours. 24

25 Autre exemple 25

26 Autre exemple Lois des mailles en pratique * Choisir des sens pour les courants (les plus pratiques). * Flécher les tensions aux bornes de chaque dipôle * Choisir un sens de parcours de la maille. * Appliquer la loi des mailles: les tensions sont affectées d'un signe + si la flèche symbolisant la tension correspond au sens de parcours. i 1 i 2 E 1 E 2 R 3 R 3 i R 1 i 1 R 1 R 2 R 2 i 2 26

27 Exemple 3

28 Court-circuit Court-circuit : Mise en connexion volontaire ou accidentelle de deux points (ou plus) d un circuit électrique entre lesquels il y a une différence de potentiel, par un conducteur de faible résistance. Le courant électrique cherche toujours à passer dans les conducteurs qui possèdent la plus faible résistance électrique. Ici, la lampe ne brille pas 28

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