2. Des grandeurs électriques de base vers la puissance électrique.

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1 Sciences et Technologies de l Industrie et du Développement Durable 1 ère STI2D Puissance et Energie CI : Formes et caractéristiques de l'énergie Leçon Enseignement Transversal 1. L'énergie Un système possède de l'énergie si cette grandeur physique peut être transformée en travail mécanique. On distingue différentes formes d'énergie, par exemple: - l'énergie mécanique : elle est directement transformable en travail (mécanisme avec ressort, fluides comprimés...); - l' énergie électrique : liée à la circulation d'électrons dans un conducteur (moteur électrique); - l' énergie chimique : liée à la combinaison de plusieurs corps et à des réactions chimiques ( combustion interne dans un moteur permettant le déplacement d'un piston,...); - l'énergie solaire : liée au rayonnement solaire (cellules photo-voltaïque,...); - l' énergie nucléaire : liée à la transformation de la structure des atomes; - l' énergie hydraulique, l'énergie éolienne. 2. Des grandeurs électriques de base vers la puissance électrique Définition du courant électrique: Le courant électrique correspond au déplacement... ordonné d'électrons libres.... Ils se déplacent dans un milieu dit conducteur formant un circuit électrique fermé... Si on pouvait observer un point quelconque d'un circuit électrique en fonctionnement et y compter le nombre d'électrons passant pendant un temps donné, on mesurerait alors le «débit» d'électrons libres. Ce «débit d électrons» est appelé intensité du courant électrique. Un petit nombre d électron passe dans le fil de cuivre par seconde, le débit d électron est faible, le courant est donc faible. Un plus grand nombre d électrons passe dans le fil de cuivre par seconde, le débit d électrons est plus important, le courant est donc grand qu'audessus. Le courant est désigné par la lettre I, il se mesure en Ampère [A]. Lycée Jules Ferry Versailles 1/9

2 2.2. La résistance d un circuit électrique : En fonction de la nature du circuit électrique, les électrons, donc le courant électrique peut circuler plus ou moins facilement. La résistance électrique est notée R, elle se mesure en Ohms [Ω] Définition de la tension électrique : Pour provoquer la circulation d'un courant électrique dans un circuit, il est nécessaire d'y insérer un générateur de tension et de fermer le circuit. Le générateur de tension produit un champ électrique E, ce champ E engendre une force F sur les charges (les électrons) ce qui les rend mobiles. Il y a donc circulation de charge et création d'un courant électrique I. Un circuit électrique est constitué au minimum d un générateur ou d une source de tension (ou de courant), d un organe de protection, d un organe de commande ou de contrôle, et d une charge ou d un récepteur Les conventions. Afin qu un courant électrique noté I puisse circuler dans un circuit il faut que ce dernier soit fermé (organe de commande ou de contrôle fermé) a) Convention «générateur». Lorsque l on ferme l organe de commande, le champ électrique produit par la source (générateur) permet de donner suffisamment d énergie aux électrons afin qu ils puissent circuler dans le circuit. Il en résulte la circulation d un courant électrique noté I, qui s exprime en Ampère (A) et qui correspond au débit d électrons. Le sens conventionnel de circulation du courant est le sens inverse de circulation des électrons. Le courant sort du générateur par le pôle positif de ce dernier. La tension notée U et le courant I ont la même direction. I le courant en A, Q la quantité d électricité en Coulomb et t le temps en second b) Convention «récepteur». Lycée Jules Ferry Versailles 2/9

3 Pour le récepteur (charge), la tension aux bornes de cette dernière va être de sens contraire au sens de circulation du courant I. Si on note Ur la tension aux bornes du récepteur, alors : Rappel de la loi d Ohm. Lorsque le récepteur est constitué d un élément purement résistif (lampe à incandescence, radiateur électrique, résistance de chauffage d un four ), il peut être modélisé par une simple résistance que l on note R (Elle convertit l énergie électrique en chaleur), on peut alors dans le cas d un circuit simple écrire : Ur = R * I avec Ur la tension (ou différence de potentiel) aux bornes de la résistance en Volt (V) R la valeur de la résistance en Ohm (Ω) I l intensité du courant électrique en Ampère (A) Association des charges. a) Association en série. Les résistances R1 et R2 sont associées en série, le courant I qui les traverse est le même. L' utilisation de la loi d'ohm permet de montrer que la résistance équivalente vue aux bornes de A et B vaut : Req = R1 + R2 b) Association en parallèle. Lycée Jules Ferry Versailles 3/9

4 L' utilisation combinée de la loi d'ohm, la loi des nœuds et la loi des mailles permet de montrer que la résistance équivalente vue aux bornes de A et B vaut : 2.4. Définition de la puissance électrique et de l'énergie électrique: Quelle chute d eau est la plus puissante? La puissance d une chute d eau est le produit de sa hauteur par son débit. Par analogie pour un système électrique alimenté par une source de tension continue on a : P(W) = U(V) * I(A) Elle se mesure dans un circuit à l'aide d'un Wattmètre ou en utilisant 2 multimètres. L'énergie reçue par un récepteur (exemple : résistance donc radiateur électrique...) ou fournie par un générateur se calcule à l'aide de la formule : E(J) = P(W) * t(s) Elle se mesure à l'aide d'un Joulemètre Applications diverses: Etude d une lampe torche : Une lampe torche équipée de pile 6.2V alimente un lampe de 10W. Un interrupteur permet d allumer ou d éteindre l ampoule. Calculer le courant circulant dans le circuit : Etude d un moteur électrique : Lycée Jules Ferry Versailles 4/9

5 Un moteur absorbe 10 A sous une tension de 20V. Calculer la puissance électrique absorbée par le moteur : En déduire l'énergie absorbée durant 30 secondes : 3. Des grandeurs mécaniques de base vers la puissance mécanique La vitesse linéaire. La vitesse linéaire correspond à une distance parcourue pendant un temps donné. ( V=d/t) Exemple : On dit : la vitesse V est de 10 mètres par seconde ( m/ s) On dit : la vitesse V est de 200 kilomètres par heure ( km/ h) Exercice de conversion : La fourche télescopique d un engin de manutention sort à une vitesse de 10m/min. Donner cette vitesse en m/s. L engin de manutention roule au maximum à 30km/h. Convertir en m/s La fréquence de rotation. La fréquence de rotation correspond à un nombre de tours réalisés pendant un certain temps. Exemple : On dit : la vitesse de rotation n est de 10 tours par seconde ( tr/ s) On dit la vitesse V est de 200 tours par minute (tr/min) ou (min - 1 ). Les roues de l engin de manutention tournent à 0.5 tr/s. Convertir en tr/min. Lycée Jules Ferry Versailles 5/9

6 3.3. La vitesse de rotation angulaire. La vitesse de rotation angulaire correspond à un angle (en degré ou radian) réalisé pendant un certain temps. Rappel : La fourche du télescopique réalise un angle de 20 en 10s. Donner la vitesse angulaire en rad/s. La motopompe (moteur + pompe) du groupe hydraulique de l engin de manutention tourne à 1500 tr/min, convertir cette vitesse en rad/s La force. L unité de la force est le newton Un newton est la capable de communiquer à une e 1 m/s Un newton est la capable de Un newton est Exercice 1 : Une moto de 500 kg met 3s pour arriver à 100 km/h : - Convertir V en (m/s) : - Déterminer l accélération de la moto en m/s 2. - Déterminer la force exercée par la roue de la moto sur le sol. Lycée Jules Ferry Versailles 6/9

7 Exercice 2 : Déterminer la force exercée par une charge de 125kg sur le crochet d un palan. Donner en plus l'unité possible de g. Rappel : Sur Terre tout corps est soumis à l accélération de la pesanteur g=9.81 U.S.I Le Moment & le Couple Le moment est le produit d une force ( en N) par un bras de levier ( en m). Mt(N.m)=F(N) * d(m) On parle de couple à la sortie d'un moteur ou sur un arbre de facon générale. On considère un cycliste qui roule à vitesse constante. Pour rouler à vitesse constante, plus la pente est importante, plus la force que doit exercer la roue du vélo sur le sol pour maintenir la vitesse constante augmente donc plus le couple présent sur la roue du vélo augmente La puissance en mécanique Question : Qui est le plus puissant entre un cheval de course et un cheval de trait? Lycée Jules Ferry Versailles 7/9

8 Réponse : Le cheval de course et le plus rapide. Le cheval de trait est le plus fort. Cependant la puissance est le produit de la force ( ou du couple) par la vitesse (linéaire ou de rotation) En translation P(W) =F(N)*V(M/s) En rotation P(W) =C(N.m) * (rad/s) Application : - Un transpalette électrique est dimensionné pour soulever une masse de 2 tonnes à une vitesse de 0.5 m/s. Calculer la puissance du système de levage. - Le moteur électrique permettant de faire avancer le transpalette à une puissance de 0.75kW. Le moteur électrique tourne à 1500tr/min. Un réducteur de vitesse permet d adapter la vitesse de rotation du moteur électrique pour entraîner les roues. Calculer le couple présent sur l arbre moteur. Lycée Jules Ferry Versailles 8/9

9 4. Notion de rendement et de transmission Dans la quasi-totalité des cas, un réducteur est présent entre l arbre moteur et la charge : Vitesse d entrée : Nmot Vitesse de sortie : Npoulie Rapport de réduction noté r: r = Vitesse de sortie / Vitesse d'entrée Définition du rendement : tout système qui stocke, transporte, module ou convertit une puissance possède un rendement noté... = puissance de sortie / puissance d'entrée Remarque : Le rendement total d une chaine de transmission de puissance est le produit des rendements de chacun des éléments : t o t a l = 1 * 2 * 3 Application : Etude d un monte-charge - Déterminer P arbre moteur. - Déterminer P poulie. - Calculer le rendement global global =P poulie / P elec - Vérifier que global = moteur * reducteur Lycée Jules Ferry Versailles 9/9