Le courant électrique.

Transcription

1 Le courant électrique. Notion de molécule et d atome. La molécule est la plus petite partie d un corps qui puisse exister à l état isolé tout en conservant la composition chimique de ce corps. ( si on divise la molécule, on obtient des atomes ). L atome est la plus petite partie de matière qui puisse entrer en combinaison chimique. Ex : une molécule d eau ( H2O ) = - 2 atomes d hydrogène H - 1 atome d oxygène O. Le noyau est : * petit son rayon vaut le cent - millième de celui de l atome ; * pesant il fait à lui seul à peu près tout le poids de l atome ; * positif il porte un nombre variable de charges + selon la nature de l atome : une pour l hydrogène, six pour le carbone, 29 pour le cuivre, Les électrons sont : * très légers ; * porteurs d une charge électrique négative ; * en mouvement de rotation autour du noyau. Le noyau est lui-même composé de : neutrons ( sans charge électrique ) ; protons ( chargés d électricité positive ). 1

2 Représentations d atome : Les électrons sont répartis, suivant leur nombre, en sept couches désignées, à partir du noyau, par des lettres K,L,M,N,O,P,Q,. Le nombre maximum d électrons par couche étant probablement de 2,8,18,32,32,18,8. Phénomène d ionisation. Les électrons qui gravitent sur les orbites éloignées du noyau quittent plus facilement leur orbite. On les appelle électrons libres. Ces électrons dits libres peuvent donc, pour différentes raisons, quitter l atome. Le courant électrique dans un conducteur est constitué par le passage d électrons libres d un atome vers un autre. 2

3 Conducteur, isolant, semi-conducteur et corps neutre. 3

4 Générateur d électricité. Définition : un générateur d électricité est un appareil qui produit en permanence - un excès d électrons à l une des bornes ( - ) - un manque d électrons à l autre borne ( + ). 4

5 Différence de potentiel. Potentiel : c est le mot utilisé pour marquer l excès ou le manque d électrons à une borne d un générateur. Différence de potentiel ou ddp ou tension électrique : c est la différence des charges + et qui existe entre les deux bornes d un générateur. Unité : le volt symbole : V Appareil de mesure de la ddp : c est le voltmètre. Il se raccorde directement aux bornes entre lesquelles on désire mesurer la tension. V 5

6 Le courant électrique. Définition. Le courant électrique est un déplacement ordonné d électrons qui se fait, à l extérieur du générateur, de la borne négative à la borne positive + et à l intérieur du + au -. Sens du courant électrique : 6

7 Le circuit électrique. Une ampoule de lampe de poche éclaire lorsqu on actionne le contact ou plus précisément l interrupteur. Lorsqu il n y a pas d interruption dans le circuit, on dit qu il est fermé : l ampoule éclaire. Lorsqu il y a interruption dans le circuit, on dit qu il est ouvert : l ampoule n éclaire pas Circuit fermé : le récepteur est alimenté, c est-à-dire parcouru par un courant électrique. Circuit ouvert : le récepteur n est pas alimenté. Pour qu un courant circule dans un circuit électrique il faut : a) qu existe une ddp aux bornes du circuit, b) que le circuit soit fermé ( au travers d un récepteur ). 7

8 . 8

9 Intensité d un courant électrique. L intensité d un courant électrique est déterminée par le nombre d électrons se déplaçant par seconde dans le conducteur. Symbole : I Unité : ampère symbole : A Mesure de l intensité d un courant électrique. La mesure de l intensité d un courant électrique s effectue à l aide d un appareil nommé ampèremètre que l on intercale en série dans le circuit électrique. Le principe de fonctionnement d un ampèremètre est basé sur les effets du courant électrique. Il existe donc différents types d ampèremètres. Les effets du courant électrique. Le courant électrique produit des effets calorifiques, lumineux, magnétiques, chimiques, mécaniques et physiologiques. Effets Calorifiques Lumineux Magnétiques Chimiques Mécaniques Physiologiques Applications pratiques. Chauffage des locaux ( radiateurs ), cuisinières électriques, fer à repasser, fer à souder, four, Eclairage des rues, des locaux, ( LI, TL, ) Electro-aimant de levage ( mitrailles ), sonnerie électrique, Electrolyse des métaux : nickelage, chromage ; accumulateur, pile, Moteurs électriques équipant les appareils électroménagers : lessiveuse, essoreuse, Electrocution, électricité médicale : stimulation cardiaque, électrochocs, électrothérapie, 9

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11 Quantité d électricité. La quantité d électricité Q est : le nombre d électrons transportés par un courant électrique I en un temps donné t. Q = I. t I : intensité du courant électrique exprimée en ampère A. t : temps de passage du courant en seconde ou en heure sec. ou h. Q : quantité d électricité en Coulomb ou en ampère-heure C ou Ah. 1 C = 6, exp 18 e. 1 Ah = 3600 C. 11

12 Exercices: 1. Quelle est la quantité d'électricité transportée dans un circuit électrique par un courant de 2,4 A circulant pendant 75 minutes? 2. Quelle doit être l'intensité du courant circulant dans une installation électrique pour qu'elle transporte 120 Ah en 8 heures? 3. Combien de temps faut-il mettre en service une lampe d'éclairage parcourue par un courant de 0,8 A pour que le générateur fournisse 24 Ah? 4. Quelle est la quantité d'électricité fournie par une batterie d'accumulateurs qui fonctionne pendant 7 Jours au régime de 0,5 A à raison de 8 h par Jour? 5. Quelle intensité de courant doit-il circuler dans un circuit pour fournir coulombs en une demi-heure? 6. Pendant combien de jours une batterie d'accumulateurs de 90 Ah pourra-t-elle fonctionner au régime de 2 A à raison de 5 h par jour? 7. Quelle est la quantité d'électricité qui parcourt à chaque seconde le circuit électrique parcouru par un courent de 500 A? 8. Combien de jours un élément devra-t-il fonctionner à raison de 0,2 ampère, pour débiter 60 ampères-heures? 9. Quel temps faudra-t-il pour décharger une batterie d'accumulateurs de 90 Ah au régime de 1,5A? 10. Quelle intensité de courant faut-il faire circuler dans le circuit pour que la quantité d'électricité transportée soit de coulombs en 35 minutes? 11. Un circuit est parcouru pendant 10 sec. par un courant dont l'intensité, lue sur l'ampèremètre placé dans ce circuit, est de 3 ampères (3 A), Quelle quantité d'électricité a traversé l'ampèremètre? 12. La batterie d'accumulateurs d'une voiture a une capacité utilisable de 34 ampèreheures (34 Ah). Quel est le courant moyen qui parcourt le circuit des phares si ceux-ci restent allumés jusqu'à épuisement de la batterie, c'est-à-dire pendant 8 heures? 13. Une lampe électrique a été traversée par une quantité d'électricité de 60 coulombs (60 C) pendant 1 minute et demie. Quelle était l'intensité du courant (I) indiquée par l'ampèremètre en série avec cette lampe? 14. Le démarreur d'une automobile est traversé, pendant le démarrage qui dure 250 millisecondes (250 ms), par une quantité d'électricité de 5 millièmes d'ampèreheure. Quelle est l'intensité du courant absorbé? 15.Le feu de signalisation d'un chantier routier absorbe un courant moyen de 0,4 A ; il est alimenté par une pile dont la capacité utilisable est 3 Ah. Combien de temps fonctionne-t-il sans interruption? 12

13 16. Si on appelle rendement en quantité le rapport de la quantité d'électricité restituée par un accumulateur, à la quantité d'électricité totale fournie à cet accumulateur, quel est le courant de charge d'un accumulateur qui restitue 32,4 Ah avec un rendement de 0,9, le temps de charge étant de 10 A? 17.Pendant les 10 heures de charge d'un accumulateur, l'ampèremètre placé en série dans le circuit indiquait 3A. A la décharge, d'une durée de 13 heures 30 minutes, sur une lampe électrique l'ampèremètre indiquait 2 A. Quel est le rendement en quantité de cet accumulateur? 18.La charge d'un accumulateur s'est faite en 10 A avec un courant de 5 A. Le rendement en quantité étant de 0,88 on demande le temps de la décharge avec un courant de 5,5 A. 19. A quelle intensité de courant correspond une quantité de 30 C passant dans un circuit pendant un temps de 2 millisecondes? 20. Placé dans le circuit d'un accumulateur alimentant une lampe électrique, un ampèremètre indique en moyenne 0,7 A pendant 8_h. Quel est le temps de recharge si le courant de cette période est 0,62 A et le rendement en quantité 0,86? 21. Quel temps ont mis 14 microcoulombs pour traverser un circuit dans lequel un milliampèremètre placé en série indiquait 0,7 milliampère (0,7 ma). 22.Une batterie d'accumulateurs d'un rendement de 0,9, rechargée pendant 10 h avec une intensité de courant de 4 A, a débité 5 A pendant 3 h, combien de temps peut-elle encore débiter 3A? 23.Une batterie d'accumulateurs a été déchargée en deux temps : d'abord pendant 8 h avec une intensité de courant de 3 A, puis pendant 5 h avec une intensité de courant de 4 A. Combien de temps faut-il pour lui redonner cette charge avec un courant de 4,5 A sachant que son rendement en quantité est 0,89? 13

14 Résistance électrique. La résistance électrique d un conducteur est la difficulté qu offre ce conducteur au passage du courant électrique. Symbole : R Unité : ohm symbole : Ω Mesure de la résistance électrique : à l aide d un ohmmètre ( jamais sous tension ). Ω R Rhéostats : ce sont des résistances variables permettant de régler l intensité du courant dans son circuit. Symbole : Rh. Le rhéostat à curseur permet un réglage progressif de IA dans le circuit tandis que le rhéostat à plots ne permet qu un réglage par bonds. 14

15 Résistance électrique d un conducteur. 15

16 Résistivité. Définition : c est la résistance d un fil de 1 m de long et de 1 mm² de section à une température déterminée. Elle dépend de la matière du conducteur. Exercices : 16

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18 1. Quelle est la résistance d'un fil de cuivre dont la résistivité est 0,019 Ω mm²/m sachant que sa section a un diamètre de 0,7 millimètre et que sa longueur est de 100 m? 2. Quelle est la résistivité du métal composant un fil de résistance 400 Ω et de longueur 314 mm pour une section de diamètre 10 microns? 3. Calculer la résistance d'un fil de cuivre de 350m de long sachant que sa section a 2 millimètres de diamètre et que sa résistivité est de 0,019 Ω mm²/m. 4. Quelle est la longueur d'un fil d'aluminium de résistance 15,2 Ω, sachant que sa résistivité est de 0,028 Ω mm²/m et que le diamètre de sa section mesure 0,6 mm? 5. Déterminer la longueur d'un fil de cuivre de diamètre 0,1 mm, de résistivité ϕ = 0,017 Ω mm²/m et de résistance 1,13 Ω. 6. Calculer la résistivité d'un fil de 1,6 mm de diamètre, d'une résistance électrique de 42 Ω et d'une longueur de 3 km. 7.Déterminer la longueur d'un fil de résistance 16,6 Ω, de résistivité 0,026 Ω mm²/m et d'une section de diamètre 1 mm. 18

19 Relation entre résistance, intensité et ddp. 19

20 Exercices. 20

21 1. Quelle est la résistance d'un fer à souder qui, alimenté sous 230 V, absorbe une intensité de courant de 1,5 A? 2. Quelle intensité de courant indique l'ampèremètre placé en série avec un four dont la résistance est de 9 Ω si la d. d. p. lue sur le voltmètre branché à ses bornes est de 225 V 7 3. Un millivoltmètre est placé aux bornes d'une résistance marquée 0,15 Ω. Quelle d. d. p. indique-t-il si l'intensité du courant lue sur l'ampèremètre en série avec cette résistance est 0,2 A? 4. Au cours d'une mesure de résistance d'isolement,le voltmètre indique 0,5 kv et le milliampèremètre 2,5 ma. Quelle est cette résistance? 5. Quelle doit être la résistance d'un rhéostat qui doit présenter à ses bornes une d. d. p. U = 20 V quand il est traversé par un courant l = 0,5 A? 6. Quelle tension maximale peut supporter un potentiomètre de résistance 17 Ω pour un courant admissible de 10 A au plus? Pourrait-il fonctionner en 220 V? 7. Quelle d. d. p. indique le voltmètre placé aux bornes d'une résistance R de 10 Ω si l'intensité du courant lue sur l'ampèremètre en série avec R est de 3 A? 8. Quelle est la résistance d'une lampe électrique quand un voltmètre placé à ses bornes indique 120 V alors que l'intensité du courant lue sur l'ampèremètre est de 0,5 A? 21

22 Variation de la résistance en fonction de la température. Expériences : mesures à chaud et à froid avec ohmmètre, voltmètre, ampèremètre des lampes au tungstène et au carbone. 22

23 Exercices. 23

24 1. Sachant qu'à O C une résistance mesure 65 Ω, on demande quelle est l'élévation de température quand sa valeur devient 80,5 Ω; son coéfficient de température est 0, Une résistance de 50 Ω prise à zéro degré centigrade ( C) a un coefficient de température de 0,006. Quelle est sa valeur après une élévation de température de 60 C? 3. Un conducteur présente à 25 C une résistance de 50 Ω, son coefficient de température étant 0,004, quelle est sa résistance si la température s'élève à 100 C? 4. L'enroulement d'une machine présente à 26 C une résistance électrique de 12 Ω. Après un certain temps de fonctionnement cette résistance est devenue 14,3 Ω. Quelle est l'élévation de température? (a =0,004) 5. Une lampe à filament de carbone présente une résistance de 150 Ω à 20 C. Quand elle éclaire normalement sa résistance n'est plus que 100 Ω. A quelle température se trouve le filament? (a = - 0,0007) 6. Après un certain temps de fonctionnement l'enroulement d'une machine présente une résistance de 250 Ω à une température de 80 C. Quelle est sa résistance à froid, c'est-à-dire à 25 C? (a = 0,004) 7. A quelle température se trouve l'inducteur d'une génératrice en marche depuis un certain temps sachant qu'à 25 C sa résistance est de 32 Ω et en fonctionnement 40 Ω? (a =0,004) 24

25 Couplage de résistances en série. Définition : des résistances sont connectées en série lorsqu elles sont disposées bout à bout c est-àdire que la sortie de la première est reliée à l entrée de la deuxième, la sortie de la deuxième à l entrée de la troisième et ainsi de suite. Conclusions : dans un couplage de résistances en série : 1) l intensité du courant électrique est la même partout ; 2) les tensions partielles s additionnent et équivalent à la ddp U du générateur Ut = U1 + U2 + U3 + 3) les résistances en série s additionnent et valent la résistance équivalente Réq Réq. = R1 + R2 + R3 + 25

26 Exercices. 26

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28 1. Quelle est l'intensité du courant qui traverse un circuit comprenant en série R1 = 12 ohms, R2 = 8ohms et R3 =16 ohms, si la puissance absorbée par ce circuit est P = W? 2. Un circuit comprend en série trois résistances de valeurs respectives R1=6 ohms, R2=5 ohms et R3 = 8 ohms. Aux bornes de R1 il existe 3 V. Quelle est la tension d'alimentation? 3. Une résistance R1 est en série avec deux autres résistances R2=6 ohms et R3 = 7ohms ; quelle est la valeur de R1 si U = 60 V et si la puissance P2 absorbée par R2 est de 24 W? 4. Un circuit comprend 3 résistances R1, R2 et R3 en série. On connaît U1 = 60 V, U2 = U3 = 20 V et P2 = 400 W (puissance absorbée par R2). Quelle est la résistance du groupement? 5. Une résistance chauffante de puissance P=1 210 W faite pour fonctionner sous 220 V est mise en série avec une résistance identique. Quelle est la nouvelle puissance absorbée par cette résistance et la puissance absorbée par le groupement si la tension d'alimentation est de 220 V? 6. Une résistance absorbant 800 W sous 200 V est mise en série avec une résistance d'une puissance de 200 W sous 200 V. Si ces résistances restent constantes malgré les variations de tension, quelle est la puissance absorbée par le groupement sous 200 V? 28

29 Chute de tension dans une ligne électrique. 29

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33 Couplage de résistance en parallèle. Définition : des résistances sont disposées en parallèle ou en dérivation lorsque : les entrées sont connectées entre elles. Les sorties également connectées entre elles. 33

34 Exercices. 34

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41 Energie. Notion : un corps est capable de produire du travail lorsqu il possède de l énergie. L énergie se rencontre sous diverses formes. Elles peuvent se transformer d une forme dans une autre. Mécanique (1) (5) Mécanique. Chimique (2) électrique (6) Chimique. Calorifique (3) (7) Calorifique. Lumineuse (4) (8) Lumineuse. Exemples : (1) dynamo, (2) pile, (3) couple thermoélectrique, (4) cellule photoélectrique, (5) moteur, (6) accumulateur, (7) réchaud, (8) lampe. Conservation de l énergie. L énergie électrique absorbée par le moteur se transforme en énergie mécanique utilisée et en énergie calorifique qui se dégage dans les bobinages du moteur. Lors d une transformation d énergie, la quantité totale d énergie reste la même. Il y a conservation de l énergie. 41

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43 Puissance électrique. 43

44 Mesure de la puissance. 1. Elle s'effectue à l'aide d'un voltmètre et d'un ampèremètre (2 appareils). L'ampèremètre se place en série avec le récepteur tandis que le voltmètre se connecte en parallèle. On obtient la valeur de la puissance en faisant le produit de la tension lue au voltmètre par l'intensité indiquée par l'ampèremètre. 2. On peut également se servir d'un wattmètre (un seul appareil) qui comprend une bobine voltmétrique et une bobine ampèremétrique. La bobine voltmétrique se place en dérivation aux bornes du récepteur et la bobine ampèremétrique en série. Le produit U 1 se lit directement sur le cadran de l'appareil. 44

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46 Exercices. PUISSANCE ÉLECTRIQUE. 12. Une dynamo génératrice fournit un courant de 36 A sous la tension de 220 V. Quelle est la puissance utile correspondante? 13. Le tableau de bord d'une voiture automobile est équipé d'un allume-cigare qui, alimenté par la batterie 12 V, est traversé par un courant de 5 A. En déterminer a) la puissance, b) la résistance. 14. Que vaut la puissance d'un fer à repasser dont la résistance chauffante vaut 65,3 Ω et le courant dans le circuit 3,5 A? 15. Un radiateur électrique de 2 kw fonctionne sous 220V. Que vaut l'intensité du courant dans le circuit? 16. Que vaut : a) la puissance d'une lampe à incandescence qui alimentée sous la d. d. p. de 220 V est parcourue par un courant de 0,272 A? b) sa résistance? c) la quantité d'électricité transportée en 50 minutes? 17. Déterminer la puissance d'un chauffe-eau à accumulation prévu pour la tension électrique de 220 V sachant que la résistance chauffante vaut 48,4 Ω. 18. Un fer à repasser porte les indications 750 W-220V. Calculer la résistance chauffante du fer et l'intensité du courant dans le circuit. 19. Que vaut l'intensité du courant débité par une dynamo de 8 kw ayant une d. d. p. de 200V à ses bornes? 46

47 ÉNERGIE ÉLECTRIQUE. 22. Une installation électrique absorbe pendant 8 heures un courant de 15 A sous la tension de 220 V. En déterminer l'énergie électrique consommée. 23. Que vaut la puissance moyenne d'une installation électrique sachant que le compteur a enregistré 12 kwh après 1 h 30 min de fonctionnement? 24. Que coûte l'utilisation d'un téléviseur (puissance 250 W) qui fonctionne 3 heures par soirée au prix moyen de 17 cents? 25. Une batterie d'accumulateurs a débité un courant de 5 A sous la d. d. p. de 12 V pendant 8 h. On demande : a)la quantité d'électricité transportée, b) la résistance du récepteur, c) la puissance fournie au récepteur, d) l'énergie consommée en joules en Wh. 26. Déterminer la puissance consommée par un fer à repasser qui a fait tourner le voyant du compteur de 9 tours en 3 minutes? Le compteur porte l'indication 180 tours = 1kWh. 27. Combien de fois le travail humain coûte-t-il plus que la machine si on sait que toutes charges comprises, l'ouvrier coûte 20 e l'heure. On sait qu'un ouvrier fournit environ J en une heure et que pendant le même temps, un moteur de 1 kw revient à environ 17cents. 47

48 RENDEMENT. 28) Un moteur électrique de puissance utile de 5 kw, rendement 0,8 est alimenté sous la tension de 220V. Déterminer l'intensité du courant circulant à pleine charge dans les conducteurs d'alimentation. 29) a) Que vaut le rendement industriel d'une machine de 9 kw de puissance utile qui absorbe une puissance de 7,2 kw? b) Déterminer également la puissance des pertes. 30) Calculer la dépense mensuelle occasionnée par un moteur électrique de 6 kw, η = 0,85, fonctionnant 8 h par jour à raison de 20 jours par mois si le kwh est payé 17 cents. 31) Que vaut la puissance absorbée par une génératrice à courant continu (dynamo) qui fournit un courant de 35 A sous une d. d. p. de 220 V? Le rendement industriel de la machine est de 70%. 32) Un moteur électrique de 8 kw de puissance utile a un rendement de 60 %. Il travaille 6 heures par jour. Quels sont :a) le travail fourni, b) la puissance électrique consommée, c) l'énergie électrique enregistrée par le compteur. 33) Une génératrice d'automobile (dynamo) absorbe une puissance mécanique de 0,08 kw lorsqu'elle fournit un courant de 5 A sous la tension de 12 V. En déterminer le rendement industriel. 34) Un moteur électrique de 10 kw est alimenté sous 220 V par un courant de 55 A. Quel est le rendement industriel de la machine? 35) La puissance utile d'un démarreur (moteur électrique) de voiture automobile est de 1 kw, rendement 0,8. Déterminer l'intensité du courant absorbé par ce démarreur lorsqu'il est branché sur une batterie d'accumulateurs de 12V. 48

49 Effet Joule. NOTION. Un récepteur calorifique (réchaud, radiateur, thermo-plongeur,...) transforme toute l'énergie électrique consommée en énergie calorifique. Le conducteur s'échauffe au passage du courant : c'est l'effet Joule. La quantité de chaleur qui se dégage s'exprime en joules. Le joule (J) est la quantité de chaleur nécessaire pour élever de 1 C* la température de 0,24 gramme d'eau. 1 kwh d'énergie électrique consommée fournit J. La quantité de chaleur nécessaire pour élever de 1 C la température d'un gramme d'une matière varie selon sa nature : c'est la chaleur massique. Exemples : eau 4,18 J pétrole 2,09 J huile 1,25 J Définition. Le dégagement de chaleur produit par le passage du courant dans la résistance d'un conducteur porte le nom d'«effet Joule» LOI. L'énergie électrique W transformée en énergie calorifique dans un conducteur est proportionnelle. à la résistance R du conducteur, au carré de l'intensité I du courant dans le conducteur, au temps de passage t du courant dans le conducteur. W = R. I². t J Ω. A. A. sec Remarque. Il faut 4,18 joules pour élever de 1 C la température de 1 gramme d'eau. Cette quantité de chaleur correspond à la calorie. Cette unité a été abandonnée. Relations. 1 J = 0,24 cal 1 cal = 4,18 J 1 kwh = 860 kcal 1 Wh = 3600 J X 0,24 cal/j == 860 cal 49

50 QUANTITÉ DE CHALEUR. 36) Que vaut l'énergie thermique qui se dégage en 30 secondes dans une résistance de 10 Ω parcourue par un courant de 5 A? 37) Déterminer la valeur de la résistance à brancher dans un circuit traversé par un courant de 4 A pour qu'elle dégage 320 joules par seconde. 38) Quelle est la valeur de l'intensité du courant électrique qui circulant dans une résistance électrique de 50 Ω pendant 1 minute produit un dégagement de chaleur de J? 39) Pendant combien de temps faudra-t-il faire circuler un courant électrique de 8 A dans une résistance de 25 Ω pour qu'elle produise un dégagement de chaleur de J? 40) Quelle énergie calorifique se dégage-t-il en 1 heure d'une lampe à incandescence en fonctionnement qui porte les indications 100 W 220 V? 41) Que vaut la puissance nécessaire pour porter 1 g d'eau de 0 C à 100 C en 10 secondes? 42) a) Déterminer l'énergie calorifique produite en 1 heure par un radiateur électrique qui a un élément chauffant de 20 Ω parcouru par un courant de 11 A. b) Déterminer également la tension appliquée au radiateur, la puissance du radiateur, l'énergie électrique consommée. 43) Quelle intensité du courant faut-il faire circuler dans une résistance de 5 Ω plongée dans 0,5 litre d'eau pure prise à 10 C pour qu'elle atteigne 80 C en 1/4 d'heure? 44) Que vaut la puissance du chauffe-eau qui amène à 90 C en 15 minutes 2 litres d'eau prise à 12 C? Le rendement calorifique de l'appareil est considéré égal à 1. Déterminer l'intensité du courant dans le circuit si la tension d'alimentation est de 127V. 45) a) Combien de temps faut-il à une cuisinière électrique pour faire chauffer de 10 C à 50 C, 2,5 litres d'eau si la plaque chauffante a une puissance de 0,8 kw et qu'elle est alimentée sous 220V. On considère que seulement 8/10 de l'énergie produite par la taque atteint l'eau du récipient. b) Déterminer l'intensité du courant dans le circuit ainsi que la résistance chauffante de la taque. 46) Un chauffe-eau électrique d'une capacité de 100 litres et d'une puissance de 1 kw est parcouru par un courant de 5 A. L'eau est amenée à l'appareil à 10 C et doit être élevée à 80 C. On admet que la chaleur dégagée par la résistance est intégralement communiquée à l'eau η=1. Calculer : a) la valeur de la résistance de l'élément chauffant, b) le temps qu'il faut pour que l'eau soit à la température souhaitée. 47) Un chauffe-eau à accumulation fonctionnant sous 220V porte en 8 heures 100 litres d'eau de 10,8 C à 80 C. Evaluer, en kwh, l'énergie' électrique qu'a enregistré le compteur. En déterminer : b) la puissance de l'appareil, c) la résistance de l'élément chauffant, d) l'intensité du courant dans la résistance. 50

51 Effet Joule Inconvénients Applications. 51

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55 La mise à la terre. DANGER D'ÉLECTROCUTION. Le corps humain est conducteur du courant électrique. Un courant de 50 m A en courant continu et de 25 m A en courant alternatif peuvent être mortels. Sa résistance peut être comprise entre plusieurs dizaines de milliers d'ohms et mille ohms. Cet énorme écart dépend de nombreux facteurs : état physiologique de l'individu (état de santé), transpiration des mains, des pieds, nature des chaussures, résistance des contacts,... Dans les plus mauvaises conditions, on peut admettre que la résistance du corps humain n'est jamais inférieure à Ω. On en tire que les tensions a) en courant continu U = RI 1000 Ω x 0,05 A = 50 V b) en courant alternatif U = RI 1000 Ω X 0,025 A = 25 V peuvent déjà être dangereuses. C'est le trajet du courant dans le voisinage du cœur qui est le plus dangereux (exemple : mains, tronc, pieds). PROTECTION. On protège les usagers de 2 façons. 1) Par isolement. Certains appareils ont la carcasse en matière isolante, de telle sorte qu'aucun contact n'est possible avec une pièce sous tension (moulins à café, mixer, sèche-cheveux ). Les appareils électriques munis d'une double isolation portent le signe international signifiant que la prise de terre n'est pas indispensable. 2) Par mise à la terre des appareils électriques. La carcasse ou l'enveloppe protectrice métallique (essoreuse, lessiveuse, circulateur de chauffage central, scie à bois...) doit être reliée à la terre. Cela évite qu'en cas de défaut, l'utilisateur se trouve sous tension dangereuse et risque l'électrocution. Suite à certains défauts d'isolement des lignes de distribution, lorsqu'une défectuosité se produit sur un appareil électrique (manque d'isolement entre le bobinage et la masse métallique), tout contact est dangereux, voire mortel. En effet, dans ce cas, la personne est mise en série avec l'appareil électrique défectueux et est parcourue par le courant de fuite qui, s'il est suffisant, peut provoquer l'électrocution. 55

56 En mettant, dès le raccordement de la machine, sa «masse»* à la terre, on protège l'utilisateur, pour autant que la mise à la terre ait été réalisée dans de bonnes conditions par une personne qualifiée. La résistance qu'offre la prise de terre par rapport au sol devra toujours être la plus faible possible et de toute façon inférieure à 100 Ω. Elle devra être contrôlée régulièrement. La mise à la terre de la masse métallique de la machine fera circuler un courant de fuite qui dépendra de l'importance du défaut et qui provoquera, dès qu'il atteindra un certain seuil, l'ouverture du circuit par action d'un dispositif différentiel placé à l'origine de l'installation. 56

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58 EXPLOITATIONS ÉLECTRIQUES EN BELGIQUE. Les installations électriques sont soumises à des règles bien précises de sécurité auxquelles tout électricien doit se conformer lors d'une installation. Ces règles de sécurité sont énoncées dans le «Règlement général sur les installations électriques» (RGIE). Isolement des installations. La résistance totale d'isolement d'une installation à basse tension ( tension entre conducteur et terre 50 < U < 600 V en courant continu. 75 < U < 1500 V en courant alternatif.) par rapport à la terre doit en tout temps excéder Ω sans que la résistance de chaque circuit exprimée en Ω puisse être inférieure à 1000 fois la tension entre conducteurs du réseau exprimée en volts. Ex.: 220 V : Ω.. La mesure de la résistance d'isolement est effectuée au moins à la tension de service et avec un minimum de 100 V. Les précautions nécessaires sont prises pour éviter toute détérioration des dispositifs de sécurité par les effets de la mesure de la résistance d'isolement. Prise de terre pour installation domestique. 58

59 Action physiologique du courant électrique. SOINS A DONNER AUX ÉLECTROCUTÉS. Physiologique : qui agit sur la vie et les fonctions organiques. Un muscle soumis à l'action d'un courant électrique se contracte rapidement. Si l'intensité du courant est suffisante, le cœur subit des contractions désordonnées des fibres musculaires (fibrillation ventriculaire). Le sang n'est plus envoyé au cerveau et celui-ci s'asphyxie très rapidement (3 à 4 minutes) par manque d'oxygène. C'est l'électrocution. Remèdes. 1. Soustraire avec précaution l'électrocuté, sans le toucher, à l'influence du courant électrique (voir livret de sécurité distribué dans les usines). 2. Faire appeler le service En attendant l'arrivée de l'ambulance, pratiquer la réanimation respiratoire (bouche à bouche). D'abord. A. Placer la victime : 1) A l'abri du froid (soleil - local chauffé - faire réchauffer la victime au cou ou au dos). 2) Sur une surface dure (sujet sur le ventre). B. 1) Desserrer les vêtements (cou - poitrine - ceinture). 2) Vider le nez et la bouche (mucus - dentier - saletés). 3)Ouvrir la bouche, tirer la langue en avant (si cela n'est pas possible, donner quelques légers coups sur la nuque). Respiration artificielle. Méthode du bouche à bouche. 1) Placer la victime sur le dos. 2) Glisser un essuie-mains ou un vêtement roulé en boule sous les omoplates afin de placer la tête en contre-bas (dégagement des voies respiratoires). 3) Pincer les narines de la victime. Appliquer la bouche sur celle de la victime et souffler de l'air avec force. 4) Écarter la bouche de celle de la victime et laisser l'air sortir passivement des poumons de celle-ci. 5) Recommencer l'opération en respectant les mouvements respiratoires normaux, soit au rythme d'une douzaine d'insufflations à la minute. 6) Si la circulation du sang est arrêtée, exercer un massage cardiaque, c'est-à-dire appuyer à chocs répétés sur la partie inférieure du sternum 60 coups à la minute tout en continuant l'insufflation. Si on est seul, combiner les deux opérations, 2 à 5 chocs suivis de 3 à 5 insufflations et ainsi de suite sans désemparer. 7) Envoi d'urgence à l'hôpital où on provoque la défibrillation par chocs électriques contrôlés. 59

60 L'ÉLECTROLYSE INDUSTRIELLE. Quelques applications : 1. Galvanisation : protection d'un métal en le recouvrant d'un autre métal (chromage, cuivrage, nickelage, dorure...). 2. Galvanoplastie : reproduction d'objet par dépôt de métal sur un moule. 3. Raffinage : obtention d'un métal le plus pur possible. 4. Électrométallurgie : obtention d'un métal par électrolyse du minerai. 5. Fabrication de certains produits. 60

61 Les piles. Expériences. Conclusions. Deux électrodes de natures différentes plongeant dans un électrolyte constituent un générateur de courant électrique. On le nomme «pile». La pile transforme de l'énergie chimique en énergie électrique. La d. d. p. qui existe dépend : a) de la nature de l'électrolyte. b) de la nature des électrodes. est indépendante : a) de la distance entre électrodes. b) des dimensions des électrodes. c) des dimensions de la cuve. 61

62 Types. LA PILE DE VOLTA (1800). Elle est constituée alternativement d'un empilement de rondelles de Cu et de Zn séparées par des morceaux de feutre imbibé d'une solution d'acide sulfurique étendue d'eau. Il a également existé de nombreuses autres piles, mais actuellement une seule subsiste sur le marché. C'est la pile de Leclanché. LA PILE DE LECLANCHÉ (1868). Description. Une électrode en carbone et une autre en zinc plongent dans une solution à 20 % de chlorure d'ammonium dans l'eau. L'électrode en carbone est entourée d'un mélange de dioxyde de manganèse et de carbone pulvérulent maintenu dans un vase en porcelaine poreuse. Symbole de la pile :

63 Fonctionnement. 1. Expérience. Réaliser un circuit comportant une pile, un rhéostat, un ampèremètre et un voltmètre de très grande résistance. (Voir ci-dessus ). Interrupteur en position 1. Circuit ouvert. Observations. Il ne circule aucun courant dans le circuit extérieur : la pile est à vide. Tension à vide = 1,5 V se nomme force électromotrice (f. e. m.) se représente par E. 2. Expérience. Interrupteur en position 2. Circuit fermé. Observations. Un courant traverse le circuit extérieur : la pile fournit du courant électrique. Faire varier R : I = 100 m A tension en charge = 1,4 V se représente par U I = 200 m A = 1,3 V I = 300 m A = 1,2 V. Cause de cette différence de tension. Le courant circule à l'intérieur du générateur, de la borne en zinc à la borne au carbone +, à travers l'électrolyte qui présente une certaine résistance interne r. Le carbone pulvérulent, mélangé au dioxyde de manganèse qui est peu conducteur, réduit cette résistance interne. C'est le passage du courant à l'intérieur de la pile qui produit une chute de tension interne u = r i. E > U E U = u E U = r i E = U + r i E = R I + r I I = E / ( R + r ) = E / R totale 63

64 Polarisation. Expérience. Mettre la pile en charge pendant quelque temps sans modifier le circuit. Observations. Conclusions. Fermer le circuit I = 300 ma U = 1,2 V Après une minute I = 290 ma U = 1,1 V deux minutes I = 275 ma U = 0,95 V Ouvrir le circuit. I = 0 ma E = 1,1 V remonte lentement. Le passage du courant dans l électrolyte en produit la décomposition. Un dégagement d hydrogène s opère à l électrode positive et une certaine quantité se fixe sur cette dernière. Cet hydrogène empêche le contact entre le carbone et l électrolyte ; il fait diminuer la f.e.m. et réduit le courant auquel s oppose également la résistance interne. La pile se polarise. Dépolarisation. Le dioxyde de manganèsequi réagit avec l hydrogène, empêche la pile de se polariser. C est le dépolarisant. 64

65 La pile sèche. USAGES. Les piles sont utilisées pour fournir des courants peu intenses. Horloges électriques lampe de poche Appareils auditifs jouets électriques CD portatifs Allume-gaz flash électronique rasoirs électriques gadgets... Une fois constituée la pile peut fournir de l'énergie électrique. Déchargée elle est inutilisable, on la jette. En fonctionnement, l'élément consomme du zinc et du chlorure d'ammonium. Lors de l'augmentation de la dimension d'un élément la f. e. m reste constante. la capacité (quantité d'électricité disponible) augmente. la résistance interne diminue. Une pile est à vide lorsque son circuit est ouvert : elle ne fournit pas de courant. Sa f. e. m. est E. Une pile est en charge lorsque son circuit est fermé : elle fournit du courant. La tension en charge (d. d. p. U) diminue lorsque le courant débité augmente. Il apparaît une chute de tension en charge u = ri. E = U + u I = U / R I = E / ( R + r) = E / Rt U = tension en charge u = chute de tension interne R = résistance externe r = résistance interne du générateur Rt = résistance totale. 65

66 Exercices. 66

67 1. Déterminer la tension qui va apparaître en charge aux bornes d'une pile de f. e. m. 1,4 V et de résistance interne 0,8 ohm si le récepteur a une résistance de a) 3,2 ohms ; b) 6,2 ohms. 2. Que vaut la résistance interne d'une dynamo de f. e. m. 220 V qui a une tension en charge à ses bornes de 209,2V lorsqu'elle fournit 40 A? 3. Une génératrice à courant continu de 0.5 ohm de résistance interne développe une f. e. m. de 110V. On lui fait fournir du courant dans un circuit extérieur de 5 ohms. Déterminer : a) l'intensité du courant dans le circuit ; b) la tension en charge aux bornes de la machine, c) la chute de tension interne, d) la quantité d'électricité transportée en 2 h 30 min. e) l'énergie calorifique dégagée pendant chaque seconde dans le récepteur, f) la puissance dissipée dans le récepteur, g) l'énergie dégagée après 1 h 30 min, h) le coût de cette énergie à raison de 17 cents le kwh. 4. Quel est le courant débité par un élément d'accumulateur da f. é. m. 1,2 V et de résistance intérieure r = 0,02 ohm dans une résistance extérieure R = 0,58 ohm? 5. Quelle est la résistance extérieure dans laquelle un élément d'accumulateur de f. é. m. 2,2 V et r = 0,03 ohm débite un courant de 4 A? 6. Un élément d'accumulateur débite un courant de 10 A dans une résistance de 0,19 ohm. Sachant que sa résistance intérieure r est de 0,01 ohm, calculer sa f. é. m. 7. Quelle est la résistance intérieure r d'un élément d'accumulateur de f. é. m. 1,25 V si le courant qu'il débite dans une résistance R = 2,3 ohms est de 0,6 A? 8. Quelle intensité supporterait un ampèremètre de résistance intérieure 0,1 ohm s'il était placé directement aux bornes d'un élément d'accumulateur de e = 1,2 V et r = 0,02 ohm? 9. Quelle est la f. é. m. d'une batterie d'accumulateurs de trois éléments, de résistance intérieure r = 0,04 ohm par élément, sachant qu'elle débite 2,2 A dans deux lampes électriques en série, d'une résistance de 1,44 ohms chacune? 10. Quelle est la résistance d'une lampe de phare d'auto si elle est parcourue par un courant de 3,6 A quand elle est alimentée par une batterie de trois éléments dont les caractéristiques par élément sont e = 2,1 V et r = 0,01 ohm? 11. Déterminer la résistance intérieure d'un élément d'une pile de lampe de poche qui comprend trois éléments en série d'une f. é. m. e=1,5 V si elle débite 0,3 A dans une lampe qui absorbe 1,26 W. 12. Un contrôleur universel monté en voltmètre (résistance interne de 75 kω) indique une tension de 4,4 V aux bornes d'une pile de lampe de poche. Monté en ampèremètre (résistance interne 2 Ω) il indique 0,8 A quand ii est en série avec une résistance de 2 ohms. Quelle est la résistance interne de la pile? 13. Une batterie d'accumulateurs de cinq éléments, d'une f. é. m. élémentaire e = 1,2 V et de r = 0,05 ohm par élément, est reliée à un circuit comprenant en parallèle R1 =15,9 Ω et R2 = 9 Ω. Calculer le courant qui la traverse. 67

68 Les accumulateurs au plomb. Expérience. conclusion : 1) le courant qui circule dans la cuve décompose l électrolyte. L hydrogène se dégage à l électrode négative, l oxygène à l électrode positive. 2) ouvrir le circuit. La cuve a emmagasiné de l énergie électrique ; elle est devenue un accumulateur. Les électrodes sont chimiquement différentes positive : plomb oxydé. - négative : plomb pur. DESCRIPTION. Les accumulateurs sont constitués d'un bac en verre ou en matière isolante noire dans lequel se trouve un électrolyte (solution d'acide sulfurique dans l'eau) dans lequel on immerge verticalement des électrodes de plomb alvéolées comprenant comme matière active pour les plaques positives du minium de plomb (Pb3O4) et pour les plaques négatives de la litharge de plomb (PbO). Des séparateurs perforés en verre, ébonite,... évitent tout contact entre les plaques. Une plaque positive est toujours entourée par 2 plaques négatives pour éviter la déformation des plaques positives. Les 2 faces sont ainsi également soumises au courant électrique. 68

69 CHARGE D'UN ÉLÉMENT. Relier la borne positive de la source (dynamo ou redresseur) à la borne positive de l'accumulateur et la borne négative du générateur à la borne négative de l'accumulateur en intercalant un rhéostat de réglage et un ampèremètre dans te circuit. Régler l'intensité du courant au 1/10 de la capacité de l'accumulateur exprimée en ampères-heures pendant une durée de fonctionnement de 10 h à 12 h. Indices de fin de charge. 1. La tension atteint de 2,7 V à 2,8 V par élément (le circuit de charge restant connecté). Au repos un élément chargé retombe à environ 2,2 V. 2. L'électrolyte bouillonne : dégagement abondant de bulles (enlever les bouchons). 3. Les plaques positives deviennent brun prononcé. Les plaques négatives deviennent gris marqué. 4. La densité de l'électrolyte voisine les 28 Baumé (32,6%. H2SO4). 69

70 DÉCHARGE D'UN ÉLÉMENT. Indices de décharge. 1. La tension atteint 1,7 V à 1,8 V (à vide, remonte à 2,1 V même si l'élément est déchargé). 2. Les plaques positives passent du brun prononcé au brun pâle. Les plaques négatives passent du gris marqué au gris pâle. 3. La densité de l'électrolyte diminue de 28 à 20 Baume. La tension reste pratiquement constante à 2 V pendant toute la durée de la décharge. Une batterie de 12 V comprend donc 6 éléments en série. A la fin de la charge la tension peut monter à 2.8 V x 6 = 16,8 V et à la fin de la décharge descendre à 1,7 V x 6 = 10,2 V ; mais la plupart du temps on a 2 V x 6 = 12V. 70

71 CARACTÉRISTIQUES DES ACCUMULATEURS AU PLOMB. 1. Force électromotrice. Varie peu avec la décharge. Voisine de 2 V. 2. Capacité. Est la quantité d'électricité qu'il doit débiter durant sa DÉCHARGE. Elle dépend de la taille de l'élément. Pour une batterie de voiture de tourisme elle vaut +/- 50 Ah. 3. Résistance interne. Toujours très faible (0,01 Ω et moins). 4. Rendement. a) En quantité η = Q décharge/q charge = Id x td / Ic x tc = voisin de 90 %. b) En énergie η = W décharge/w charge = Ed x Id x td / Ec x Ic x tc = +/- 75 % 71

72 ENTRETIEN. 1. Charges et décharges à allures modérées. 2. Ne pas décharger sous 1,8 V à 1,7 V. 3. A chaque charge une partie de l'eau de l'électrolyte est détruite par électrolyse. L'électrolyte doit toujours recouvrir les plaques de ± 1 cm. Si nécessaire y ajouter de l'eau distillée. Il y a foisonnement de la matière active qui se désagrège, tombe au fond du bac et forme une boue conductrice avec risque de court-circuit, d'où nécessité de rincer le bac de temps à autre. La partie supérieure de l'accumulateur doit être sèche. Il faut mettre de la vaseline neutre sur les bornes afin d'éviter de mauvais contacts ultérieurs (oxydation). Bien fermer les bouchons et dégager les trous d'échappement de gaz. USAGES. Démarrage et éclairage des automobiles. Éclairage des trains ou de secours dans les hôpitaux, théâtres, grands magasins. En tampon sur un redresseur pour petits centraux téléphoniques. Horloge électrique. REMARQUES. On considère qu'un accumulateur au Pb peut fournir plus ou moins 10 Ah par kg de plaques. La borne positive est d'un diamètre légèrement supérieur à celui de la borne négative. 72

73 RESUME. 73

74 74

75 Exercices. 75

76 76

77 1. Un accumulateur de résistance r = 0,05 ohm est traversé par un courant de 8 A; quelle est sa f. é. m. si U = 2,6 V? 2. Un élément d'accumulateur en fin de décharge est tel que e = 1,8 V et sa résistance r = 0,05 ohm. Quelle d. d. p. faut-il mettre à ses bornes pour le recharger avec un courant maximal de 5 A? 3. Sous une d. d. p. de 2,5 V un courant de 6 A passe à travers un élément d'accumulateur dont la f. é. m. est e = 1,3 V. Quelle est sa résistance intérieure? 4. Quel est le courant qui traverse une batterie d'accumulateurs en charge (cinq éléments : e = 1,2 V et r = 0,1 ohm) et quel est son rendement si U = 7 V? 5. Quel courant maximal peut absorber un élément d'accumulateur en charge (e = 1,2 V et r = 0,02 ohm ) si on dispose d'une d. d. p. de 1,4 V? 77

78 Groupement des générateurs en série. 78

79 Exercices. 79

80 80