Transport de l'énergie électrique 1. ntensité d un courant électrique: Un courant électrique correspond à un déplacement ordonné de particules chargées appelées porteurs de charges dans un matériau conducteur. Dans un conducteur métallique, les porteurs de charge sont des Dans une solution aqueuse, les porteurs de charge sont des.. L intensité d un courant continu est égale à la valeur absolue de la charge totale Q traversant une section du conducteur par unité de temps. = Q / t en mpère () Q en C t en s Par convention, le courant électrique sort d'un générateur de tension continue par la borne et y entre par la borne. Le sens conventionnel du courant est donc opposé au sens du mouvement des électrons dans un conducteur métallique puisque les électrons circulent à l extérieur de la pile de la borne vers la borne. L intensité du courant électrique circulant dans un circuit peut se mesurer en chaque point du circuit : pour cela, il faut ouvrir le circuit en ce point et intercaler un ampèremètre en série dans le circuit. Dans un montage en série de plusieurs dipôles, l intensité a même valeur en tout point du circuit. Un ampèremètre doit être branché en série, entre la borne rouge «m» et la borne noire «COM». Commencer toujours par le calibre le plus grand (2) puis diminuer le calibre de façon à afficher 3 chiffres significatifs. L unité de la mesure affichée est la même que l unité du calibre choisi:, m ou µ. En courant continu, la valeur affichée est positive si le courant rentre dans E l ampèremètre par la borne rouge «2» et ressort par la borne noire «COM». Sinon inverser (sur le circuit et non sur l ampèremètre!) les branchements des fils reliant l ampèremètre au circuit. 2. Tension électrique aux bornes d'un dipôle: nalogie hydraulique : pour faire circuler de l'eau dans un tube, il faut exercer une pression différente de part et d'autre de ce tube, c'est à dire créer une différence de pression entre les extrémités et de ce tube. Si P > P, alors P = P P > 0 et l'eau circule spontanément de vers. De même, pour qu'un courant électrique circule spontanément d'un point vers un point dans un circuit électrique, il doit exister une différence de potentiel V V > 0 entre les deux points et du circuit. Un voltmètre permet de mesurer la différence de potentiel V V entre deux points et d un circuit. Cette d.d.p. est aussi appelée tension électrique et notée U = V V. L unité de potentiel ou de tension électrique est le Volt ( V ). U est représentée par une flèche, à côté du dipôle, et orientée de vers (et non pas de vers attention!). E V La tension U se mesure à l aide d un voltmètre branché U en dérivation (ou en parallèle) aux bornes du dipôle. l n est donc pas utile de modifier le circuit pour brancher un voltmètre. En courant continu, la valeur affichée est positive si le potentiel de la borne rouge «V» est supérieur au potentiel de la borne noire «COM». Utiliser le calibre (20V) pour effectuer les mesures. 1
3. Tracé de la caractéristique d'un conducteur ohmique (résistance): Un conducteur ohmique est un petit dipôle de forme cylindrique sur lequel sont peints quatre anneaux colorés (pour la résistance étudiée ici : jaune, violet, marron et doré) dont on comprendra la signification plus loin. Son symbole est : Tracer la caractéristique d un dipôle revient à représenter sur un graphe les variations de la tension U aux bornes de ce dipôle en fonction de l intensité du courant qui le traverse. Pour faire varier la tension aux bornes de la résistance, on utilise un générateur de tension continue ajustable, dont le symbole est : Ce générateur de tension possède un bouton qui permet de faire varier la tension continue UPN qu il délivre à sa sortie (N : borne noire, P : borne jaune). N U PN P Fais le montage correspondant au schéma ci-contre qui va te permettre de faire varier la tension aux bornes de la résistance. Fais les mesures nécessaires pour compléter le tableau suivant: U en V 0 1,5 3,0 4,5 6,0 7,5 9,0 10,5 P U PN U V en N Trace sur papier millimétré la caractéristique U = f( ) pour ta résistance. Que constates-tu? Que peux-tu en déduire? Calcule le coefficient directeur ( noté ) de la droite obtenue, après avoir rappelé la méthode utilisée. Quelle est son unité? Utilise le tableur EGESS pour tracer la courbe U = f( ). Modélise la courbe obtenue par une fonction linéaire du type U =. puis valide le modèle choisi en indiquant l'écart relatif entre le modèle et les valeurs expérimentales:... La valeur de calculée par le tableur est: =... l existe une méthode plus simple pour mesurer la résistance d'un conducteur ohmique (mais pourquoi faire simple quand on peut faire compliqué? ). l suffit de le brancher directement aux bornes du multimètre sur le calibre 2kΩ. On obtient =... On va comparer ces valeurs expérimentales de avec l indication portée par le fabricant sur le corps de la résistance, sachant que le premier anneau correspond au chiffre des dizaines, le deuxième anneau au chiffre des unités, le troisième anneau à la puissance de 10 par laquelle il faut multiplier la valeur donnée par les 2 premiers anneaux. Le code des couleurs est : noir=0, marron=1, rouge=2, orange=3, jaune=4, vert=5, bleu=6, violet=7, gris=8, blanc=9. Le 4 ème anneau doré donne la précision de la valeur indiquée : 5% Entre quelles valeurs doit se situer la valeur de d après le fabricant? Les valeurs que tu as trouvées se trouvent-t-elles dans cet intervalle? Conclue. 2
4. Puissance et énergie électrique: 4.1. Expériences: * On branche 2 lampes différentes L1 et L2 en série aux bornes d'un générateur. Fais ci-contre le schéma de ce montage. Complète le tableau suivant: lampe intensité () tension (V) L1 L2 Quelle est la lampe qui brille le plus? * On branche les 2 lampes L1 et L2 en dérivation aux bornes d'un générateur. Fais ci-contre le schéma de ce montage. Complète le tableau suivant: lampe intensité () tension (V) L1 L2 Quelle est la lampe qui brille le plus? * Que constates-tu? * La lampe qui brille le plus est-elle celle qui est traversée par l'intensité la plus grande? Est-elle celle pour laquelle la tension électrique U aux bornes est la plus grande? utre proposition (à justifier): 4.2. Définitions: * Quelles sont les indications portées sur les appareils électriques, par exemple une lampe? * On définit la puissance P d'un appareil électrique comme le produit de la tension à ses bornes par l'intensité du courant qui le traverse. Son unité est le watt (W). (U en V et en ) La puissance P est une grandeur instantanée qui indique ce que consomme un appareil électrique à un instant t donné. * Si l'appareil fonctionne pendant une durée t, il reçoit (ou consomme) de l'énergie électrique notée E, d'autant plus grande que t est grand. E s'exprime en Joule (J). Le coefficient de proportionnalité entre E et t correspond à la puissance consommé P : E = P. t * On utilise parfois comme unité d'énergie le Watt.heure (W.h) si p est exprimé en W et t en heure. P = U. 4.3. pplications: * appelle l'expression de la loi d'ohm (relation entre U et ) pour un conducteur ohmique : * Déduis-en l'expression de la puissance électrique consommée en fonction de U et : de et : * Calcule l'énergie consommée par une lampe à incandescence de puissance 100W fonctionnant sous une tension nominale de 220V pendant une journée, en kwh et en J. Quel est le coût correspondant sachant qu'edf facture 11,5 centimes d'euro le kwh: 3
5. Transport de l'énergie électrique à grande distance: 5.1. La production d'électricité en Corse: Elle se répartissait en 2010 de la manière suivante : 28,2 % d énergie renouvelables dont 24% par les barrages 1,2% par l éolien, 0,1% par le solaire 0,4% par le biogaz 31 % d interconnexion 40,8 % de thermiques (centrales d jaccio et Lucciana) centrale électrique G U 1 1 transformateur élévateur de tension ligne haute-tension U 2 2 transformateur abaisseur de tension secteur 220V 5.2. Les lignes haute-tension: Calcule la résistance totale d'un fil d'aluminium de diamètre 1,0cm utilisé pour apporter à Porto-Vecchio l'énergie électrique produite à la centrale du Vazzio à jaccio, sachant que la résistance de ce fil est de 0,40Ω par km, et en prenant 150km comme distance séparant ces deux villes. Calcule approximativement la puissance électrique nécessaire pour alimenter Porto-Vecchio en supposant que nous sommes 10000habitants, et que la consommation moyenne par habitant est constante sur toute la Corse, peuplée par 300000 personnes au total. Quelle serait l'intensité 1 du courant traversant ces fils si l'énergie était transportée sous une tension de 220V? Quelle serait la puissance perdue sous forme de chaleur lors du transport du courant électrique? Compare sa valeur à celle de la puissance transportée et conclue. On comprend ainsi pourquoi il est nécessaire de transporter l'électricité à grande distance en utilisant des lignes haute-tension: des transformateurs permettent d'élever la tension à la sortie de la centrale jusqu'à une valeur qui peut atteindre 500kV. Elle est ensuite de la même façon rabaissée progressivement jusqu'à 220V. eprends les calculs précédents en considérant que la tension U 2 est de 220kV pendant le transport. 4
6. Mesure de la capacité thermique massique de l'eau liquide: Quel que soit son état physique (solide, liquide ou gaz), la matière est constituée de particules en agitation permanente, appelée agitation thermique, qui augmente avec la température. Si on apporte de l'énergie (notée Q) à une masse m d'eau liquide sous forme de chaleur, sa température varie de θ, proportionnellement à m et à Q. Le coefficient de proportionnalité s'appelle capacité thermique massique de l'eau liquide, notée c Q = m. c. θ Quelle est l'unité de c? emarque 1 : c n'a pas la même valeur pour tous les liquides c n'a pas la même valeur pour l'eau à l'état liquide, solide ou gaz emarque 2 : Lorsqu'un corps pur change d'état physique, sa température reste constante tant que les deux états physiques sont simultanément présents. insi l'eau pure passe de l'état solide à l'état liquide (fusion de la glace) à 0 C de l'état liquide à l'état de gaz (vaporisation) à 100 C L'énergie apportée sous forme de chaleur lors du changement d'état n'est donc pas utilisée pour modifier l'agitation des molécules (leur énergie cinétique) mais uniquement pour vaincre les interactions entre molécules qui les maintiennent les unes au contact des autres dans un liquide, alors qu'elles sont libres dans un gaz (modification de l'énergie potentielle des molécules dans la matière). Expérience : On introduit une masse m =... d'eau dans un calorimètre (récipient isolé thermiquement de façon à limiter les échanges de chaleur avec le milieu extérieur). Sa température initiale est θ 1 =... On plonge dans cette eau un "thermoplongeur" constitué par un conducteur ohmique isolé électriquement de l'eau et parcouru par un courant électrique. La puissance électrique consommée est P =... On mesure la température de l'eau toutes les 5 minutes pendant 20 minutes : temps (min) température 0 5 10 15 20 Calcule à partir de ces mesures la capacité thermique massique c de l'eau liquide : Compare avec la valeur officielle c = 4,18 kj.kg 1.K 1 en calculant l'écart relatif entre ces deux valeurs. Propose une explication à l'écart constaté. 5