STPI1 P3-Electricité CM1 Lois générales des circuit électriques, générateurs, dipôles 1
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
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
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 100 000 kv à 500 000 kv 4
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
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
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
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
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 3. 10 8 m.s -1 9
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
Vocabulaire 4 noeuds 6 branches 5 mailles (au moins) 11
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
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
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
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
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
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
Association de résistance Association de résistances en série R1 R2 R12 18
Association de résistance Association de résistances en parallèle R1 R2 R12 19
Analogie hydraulique 20
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
Lois de Kirchhoff Lois des noeuds i5 i1 i2 i4 i3 22
Lois de Kirchhoff Lois des mailles = loi d additivité des tensions A U 3 B U 2 D U 1 C 23
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
Lois de Kirchhoff : exemple 2 25
Exemple 3 R 1 R R 2 E 1 E 2
Exemple 3 Schéma 1 4 valeurs de potentiel
Exemple 3 Schéma 2 3 intensités
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
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
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