Activité : «Quel est le bilan énergétique dans un circuit électrique?»

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1 1STL Date : Activité : «Quel est le bilan énergétique dans un circuit électrique?» Thème du programme : Habitat Type d activités : Activité expérimentale, Point cours Extrait BOEN : Énergie et puissance électriques : tension, intensité. Dipôles passifs et dipôles actifs. Effet Joule. Sous-thème : Gestion de l énergie dans l habitat Pré-requis : Aucun pré-requis. Compétences attendues : Réaliser un circuit électrique d après un schéma donné. Effectuer expérimentalement un bilan énergétique dans un circuit électrique simple. Mesurer une tension électrique, une intensité électrique dans un circuit en régime continu. Utiliser les conventions d orientation permettant d algébriser tensions et intensités. Mesurer et calculer la puissance et l énergie électriques reçues par un récepteur. Utiliser la loi des nœuds et la loi des mailles. I. Tension et intensité électriques 1. Tension électrique La tension entre deux points A et B d un circuit correspond à la différence de potentiel ( ddp ) qui existe entre ces 2 points : u AB = V A V B. Elle s exprime en volts ( V ). La tension est une grandeur algébrique, elle peut être positive ou négative : u AB = V A V B = - (V B V A ) = - u BA. La tension u AB est représentée par une flèche qui pointe vers A. La tension se mesure avec un voltmètre en dérivation. Loi des mailles : La somme algébrique des tensions le long d une maille est nulle. Pour appliquer la loi des mailles, il faut choisir un sens de parcours arbitraire de la maille (chemin fermé). Il faut parcourir la maille dans le sens choisi : si on rencontre la flèche de la tension par la pointe, la tension est affectée du signe + ; sinon elle sera affectée du signe -. La somme algébrique des tensions est égale à Intensité du courant électrique Dans un conducteur, le courant électrique est dû à un mouvement d ensemble des porteurs qui sont des électrons dans le cas des métaux et des alliages et des ions dans le cas des électrolytes..

2 L intensité du courant électrique est un débit de charges : i = q t i : intensité en ampères (A) q : quantité d électricité en Coulombs (C) t : durée en secondes (s) Le sens conventionnel du courant est choisi dans le sens du déplacement des porteurs de charges positives. Il sort par la borne positive du générateur et entre par la borne négative. Pour un courant continu, l intensité i est constante : i = I = Cte. L intensité se mesure avec un ampèremètre en série. Loi des nœuds : La somme algébrique des intensités des courants qui entrent dans un nœud (= point d intersection d au moins 3 fils) est égale à la somme algébrique des courants qui en partent. 3. Dipôles passifs et actifs Un dipôle passif est un dipôle toujours récepteur. Il ne peut pas fournir de l énergie électrique au circuit ( résistance, condensateur...). Un dipôle actif peut fournir de l énergie électrique au circuit. Il fonctionne alors en générateur. Convention d orientation : Suivant le fonctionnement du dipôle (passif ou actif), on utilise une convention d orientation différente. II. Puissance électrique La puissance électrique fournie par le générateur au récepteur est : p = u.i p : puissance en watts (W) u : tension en V (V) i : intensité en ampères (A) En continu, la relation devient : P = U.I avec u = U = Cte et i = I = Cte. Puissance Joule : La puissance électrique reçue par un conducteur ohmique est convertie intégralement sous forme thermique et rayonnante : c est l effet Joule. La puissance se mesure à l aide d un wattmètre.

3 III. Énergie électrique Rappeler la relation qui lie l énergie électrique reçue par un récepteur, la puissance qu il consomme et sa durée de fonctionnement. Préciser les unités utilisées. Effet Joule : Lorsqu un conducteur est parcouru par un courant, l énergie électrique qu il reçoit est convertie en chaleur. On dit que le conducteur dissipe l énergie par effet Joule. Énergie stockée par un condensateur : Le condensateur est un dipôle est constitué de 2 surfaces métalliques séparées par un isolant appelé diélectrique. Lorsqu on applique une tension u aux bornes du condensateur, il accumule une charge électrique q : q = C.u q : charge en coulombs (C) u : tension en V (V) C : Capacité en farads (F) Le condensateur stocke de l énergie pendant sa charge : E = 1 2 C.u2 Énergie stockée par une bobine : Une bobine est un dipôle constitué d un fil de cuivre qui s enroule autour d un cylindre. Elle est caractérisée par son inductance L en henry (H). Lorsqu elle est parcourue par un courant électrique, la bobine crée un champ magnétique (électro-aimant). La bobine stocke de l énergie lorsqu elle est parcourue par un courant : E = 1 2 L.i2 IV. Association de résistances en série 1. Étude préliminaire 1. Reproduire le schéma du montage en indiquant : les tensions U PN, U AM, U MB et U AB ; la position de l ampèremètre permettant de mesurer I (préciser les bornes ma et COM) ; la position du voltmètre permettant de mesurer U AM (préciser les bornes V et COM). 2. Quelle relation peut-on écrire entre U PN et U AB? 3. Quelle relation peut-on écrire entre U PN, U AM et U MB? 2. Étude expérimentale Réaliser le circuit électrique (avec R 1 = 50 Ω et R 2 = 100 Ω), brancher l ampèremètre permettant de mesurer I et les deux voltmètres permettant de mesurer U PN et U AM. Avant d allumer le générateur, faites vérifier le montage par le professeur! Fixer la tension U PN à 6,0 V, garder cette valeur constante tout au long du TP. Remplacer R 1 = 50 Ω par 100 Ω puis par 200 Ω et compléter les lignes 2, 3 et 4 du tableau ci-dessous.

4 R 1 (en Ω) U AM (en V) I (en ma) U AM I U MB (en V) P S (en W) P 1 (en W) P 2 (en W) 3. Exploitation 1. Comparer U AM et R 1. I 2. En déduire l expression de la tension aux bornes d un conducteur ohmique de résistance R. C est la loi d Ohm. 3. Calculer la tension U MB en utilisant la loi des mailles et compléter le tableau. 4. Calculer la puissance électrique P S transférée par le générateur au circuit résistif et compléter le tableau. 5. Calculer les puissances électriques P 1 et P 2 dissipées par effet Joule dans les résistances R 1 et R Compléter le tableau. 7. Donner l expression des puissances électriques P 1 et P 2 dissipées par effet Joule dans les résistances R 1 et R 2 en fonction de la valeur de la résistance et de I. 8. Le générateur fonctionne pendant une durée t, donner l expression de l énergie dissipée par effet Joule dans chacune des résistances en fonction de R, I et t. 9. Que peut-on conclure en comparant la puissance fournie par le générateur et celles dissipées dans les résistances? 10. On considère que le générateur fonctionne pendant une durée de 5 min, calculer l énergie fournie par le générateur pendant cette durée et l énergie dissipée par effet Joule par chacune des résistances. Que peut-on en conclure? V. Association de résistances en parallèle ou en dérivation 1. Étude préliminaire 1. Reproduire le schéma du montage en indiquant : les tensions U PN, U AB, et U CD ; la position de l ampèremètre permettant de mesurer I (préciser les bornes ma et COM) ; la position de l ampèremètre permettant de mesurer I 1 (préciser les bornes ma et COM) ; la position du voltmètre permettant de mesurer U PN (préciser les bornes V et COM). 2. Quelle relation peut-on écrire entre U PN, U AB et U CD? 3. Quelle relation peut-on écrire entre I, I 1 et I 2? 2. Étude expérimentale Réaliser le circuit électrique (avec R 1 = 50 Ω et R 2 = 100 Ω), brancher les ampèremètres permettant de mesurer I et I 1 et le voltmètre permettant de mesurer U PN. Avant d allumer le générateur, faites vérifier le montage par le professeur! Fixer la tension U PN à 6,0 V, garder cette valeur constante tout au long du TP. Remplacer R 1 = 50 Ω par 100 Ω puis par 200 Ω et compléter les lignes 2 et 3 du tableau ci-dessous.

5 R 1 (en Ω) I (en ma) (en V) I 1 (en ma) I 2 (en ma) P // (en W) P 1 (en W) P 2 (en W) 3. Exploitation 1. Calculer l intensité du courant I 2 en utilisant la loi des nœuds et compléter la ligne 4 du tableau. 2. Calculer la puissance électrique P // = U PN.I transférée par le générateur au circuit résistif et compléter le tableau. 3. Calculer les puissances électriques P 1 = U AB. I 1 et P 2 = U CD.I 2 dissipées par effet Joule dans les résistances R 1 et R 2. Compléter le tableau. 4. Que peut-on conclure en comparant la puissance fournie par le générateur et celles dissipées dans les résistances? 5. On considère que le générateur fonctionne pendant une durée de 10 min, calculer l énergie fournie par le générateur pendant cette durée et l énergie dissipée par effet Joule par chacune des résistances. Que peut-on en conclure?