MODLE 4 MODLE 4. Loi d Ohm. uissance. Energie. Effet Joule erformances-seuils. L élève sera capable 1. de calculer une des grandeurs physiques intervenant sur un circuit électrique élémentaire ; 2. de restituer l expression physique de l énergie ; 3. d évaluer l incidence de la variation d une des grandeurs intervenant dans la relation de la loi de Joule.
MODLE 4 1. Loi d Ohm. Considérons la relation : Effet cause opposition Toute transformation d énergie d une forme à une autre se fait selon une telle relation. Dans les circuits électriques, l effet que nous tentons d établir est le déplacement de charges, c est-à-dire le courant. La différence de potentiel entre deux points du circuits est la cause («la pression») de ce déplacement de charges, et l opposition à ce déplacement est la résistance du circuit. CORANT DFFERENCE. DE. OTENTEL RESSTANCE De simples manipulations mathématiques permettent d exprimer la tension et la résistance en termes des deux autres grandeurs : R R
MODLE 4 Autre façon de comprendre : 1. Branchons aux bornes d une résistance de 20 une d.d.p. de 10 V, puis une de 20 V. our = 10V l ampèremètre indique 500 ma et le voltmètre 10V ; our = 20V l ampèremètre indique 1A et le voltmètre 20V. 2. Remplaçons la résistance utilisée par une résistance deux fois plus grande, donc de 40. our = 10V l ampèremètre indique 250mA et le voltmètre 10V ; our = 20V l ampèremètre indique 500mA et le voltmètre 20V.
MODLE 4 Constatations : Quand pour une résistance identique, la d.d.p. appliquée double, l intensité du courant double également. our une d.d.p. identique, si la résistance double, l intensité du courant diminue de moitié. our chacune des expériences, multiplions la valeur de la résistance par la valeur de l intensité du courant. Comparons les résultats obtenus avec la valeur de la d.d.p. appliquée : Le produit R x est égale à la valeur de la d.d.p. appliquée. Conclusion : La d.d.p. appliquée aux bornes d un générateur est égal au produit de la résistance présentée par ce récepteur et de la valeur de l intensité du courant traversant ce même récepteur. R 2. La puissance. Reprenons l expression vue au module 1 : Sachant que : R ( R ) on peut dire que : soit : Sachant aussi que :
MODLE 4 et que : R on peut dire que : R soit : 3. L énergie. our qu une certaine puissance transforme de l énergie, elle doit être utilisée pendant un certain temps. Ainsi un moteur d une puissance suffisante pour entraîner une charge considérable ne produit une transformation d énergie que s il est mis en marche pendant une certaine période de temps. lus longtemps fonctionne un moteur, plus grande est la quantité d énergie dépensée. L énergie perdue ou gagnée par un dispositif se détermine au moyen de la relation : uisque la puissance se mesure en watts (ou en joules par seconde) et le temps en secondes,
MODLE 4 l unité de mesure de l énergie est le watt-seconde ou le joule comme indiqué ci-dessus. Le watt-seconde est toutefois une unité trop petite pour être commode ; aussi on utilise couramment le watt-heure (Wh) ou le kilowattheure (kwh). Energie( watts secondes) puissance( watts) temps(secondes) Energie( kilowatthe ures) puissance( watts) temps( heures) 1000 L énergie électrique fournie par se service commercial (Electrabel) se mesure au moyen d un instrument appelé watt-heuremètre ou compteur d électricité. Cet appareil se raccorde directement aux lignes du secteur immédiatement en amont du panneau de distribution des immeubles. La consommation d électricité se mesure en kilowattheures. Le compteur est muni d un disque d aluminium ; plus ce disque tourne rapidement plus grande est la consommation. C est ce disque qui entraîne les aiguilles (ou chiffres) des cadrans par l intermédiaire d un train d engrenages. Remarque : Connaissant la formule de la puissance : l est facile de remplacer par son expression dans la formule de l énergie et on obtient : W t 4. Effet Joule. 4.1. Définition. L effet Joule c est l échauffement d un conducteur au passage d un courant électrique. Cette quantité de chaleur s exprime en Joule (J) ou kilo Joule (kj). n Joule est la quantité nécessaire pour élever de 1 C la température de 0,24 g d eau.
MODLE 4 4.2. Expériences. Soit un récipient contenant 0,24 g d eau, 3 résistances chauffantes (R 1 = 10, R 2 = 15 et R 3 = 30), une alimentation permettant de régler l intensité qu elle peut débiter, un thermomètre et un chronomètre. 1 er Expérience. On règle le débit de courant maximum du générateur à 1 A. On alimente 3 résistances différentes pendant 2,5 minutes chacune pour chauffer l eau. Tableau de résultats : Résistances Température initiale de l eau Température finale de l eau Ecart de température R 1 = 10 10 C 13,6 C 3,6 C 1 x R 1 Valeur de R par rapport à R 1 R 2 = 15 10 C 15,4 C 5,4 C (1,5 x 3,6 C) 1,5 x R 1 R 3 = 20 10 C 17,2 C 7,2 C (2x 3,6 C) 2 x R 1 Conclusion : Le dégagement de chaleur est proportionnel à la résistance. 2 ème Expérience. On alimente 3 fois pendant 2,5 minutes la même résistance d une valeur de 10, et on règle successivement le débit de courant maximum du générateur à 1, 2 puis 3A.
MODLE 4 Tableau de résultats : Résistances Température Température Ecart de température ntensités initiale de l eau finale de l eau R 1 = 10 10 C 13,6 C 3,6 C (3,6 x 1 2 ) 1 A R 2 = 10 10 C 24,4 C 14,4 C (3,6 x 2 2 ) 2 A R 3 = 10 10 C 42,4 C 32,4 C (3,6 x 3 2 ) 3 A Conclusion : Le dégagement de chaleur est proportionnel au carré de l intensité de courant traversant la résistance. 3 ème Expérience. On alimente pendant 2,5, 5 puis 7,5 minutes la même résistance d une valeur de 10, et on règle le débit de courant maximum du générateur à 1 A. Tableau de résultats : Résistances Température Température Ecart de température Temps initiale de l eau finale de l eau d alimentation R 1 = 10 10 C 13,6 C 3,6 C (3,6 x 1) 2,5 min R 2 = 10 10 C 17,2 C 7,2 C (3,6 x 2) 5 min R 3 = 10 10 C 20,8 C 10,8 C (3,6 x 3) 7,5 min Conclusion : Le dégagement de chaleur est proportionnel au temps de passage du courant dans la résistance. Conclusion générale : Le dégagement de chaleur est proportionnel : à la valeur de la résistance ; au carré de l intensité du courant électrique ; au temps de passage du courant dans la résistance. On peut donc tirer l équation suivante : Notes : 1 Joule = 0,24 calories 1 calorie = 4,18 Joules 1KWh = 860 Kcal.