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 Analogie hydraulique 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 : exemple 1 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 Lois de Kirchhoff : exemple 2 25

26 Exemple 3 R 1 R R 2 E 1 E 2

27 Exemple 3 Schéma 1 4 valeurs de potentiel

28 Exemple 3 Schéma 2 3 intensités

29 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 29

30 Caractéristique d un dipôle Courbe U= f(i) i A E;R g G U V Un ampèremètre se branche en série. Un voltmètre en parallèle. 30 Caractéristique d une ampoule

31 Caractéristique d un générateur i P A U PN i P N V U PN N R caractéristique point par point U PN caractéristique linéarisée i Modèle linéaire d un générateur : U PN = E - r.i en convention générateur. E: ordonnée à l origine; c est la force électromotrice du générateur; r: coefficient directeur; r est la résistance interne du générateur. i (E,r) E ri P N i U PN 31