Partie 2 Notions: Énergie électrique et circuits électriques en "alternatif" Chapitre 10. Des possibilités de production de l'électricité Remarque: Le titre "Des possibilités de production de l'électricité" me géne pour 3 raisons: • "Possibilités": évoque-t-on la capacité, le droit (juridique ? Physique ?) ou le choix ? • "Production": puisqu'il est question de conversion d'énergie, que produit-on ? • "Électricité": si on pouvait ranger toutes nos connaissances consernant l'interaction électromagnétique dans un livre alors le mot "électricité" en serait le titre. Je vous propose: "Des principes de conversions vers l'énergie électrique". 10.1. Introduction Qu'est-ce que l'énergie ? À quelles lois obéit-elle ? Comment fonctionnent les différents types de centrales ? Quel est le point commun des différentes centrales électriques ? Pourquoi est-ce si difficile de trouver une solution énergétique durable ? Lire: L'énergie sous toutes ses formes (CEA) http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-energie-soustoutes-formes-1876/ Le sujet étant si vaste, je me contenterai de partager quelques liens vers des sites spécialisés: Surfez ! International Energy Agency http://www.iea.org/ Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) http://www.cea.fr/ 10.2. Principe de conversion d'énergie: centrales électriques 10.2.1. Rappels L'énergie est une grandeur qui rend compte de la capacité d'évolution d'un système. Il est impossible de "créer" / "détruire" de l'énergie. En revanche, il est possible de la "convertir" en transformant ses sources. Remarque: L'énergie totale d'un système isolé est une quantité constante. Idéalement, toutes les formes d'énergies seraient équivalentes et on pourrait passer de l'une à l'autre via un procédé de transformation adéquat. Dans la réalité ce n'est pas le cas car une conversion d'énergie s'effectue toujours avec des "pertes": pour une quantité d'énergie exploitée ("fournie"), une partie ("utile") sera convertie volontairement, l'autre partie est involontaire et généralement inexploitable. 10.2.2. Conversion d'énergie en énergie électrique Pour plusieurs raisons (transport...) l'Homme a développé des systèmes qui convertissent de l'énergie, disponible sous diverses formes et de sources différentes, en énergie électrique. Ces systèmes sont appelés centrales électriques. Il en existe plusieurs sortes: - Les centrales thermiques (classiques ou nucléaires) Les centrales photovoltaïques (panneaux solaires) Les centrales hydroélectriques (barrages) Les centrales éoliennes (éoliennes) et hydrolienne (via courant d'eau) Les centrales marémotrices (sorte de barrages "à plat") Les centrales houlomotrices (bouées + vagues) Autres (et il y en a beaucoup...) Les élèves sont invités à présenter (2 minutes /personne) un exposé sur ce thème ! Un lien vers leurs travaux est disponible après les séances d'exposés. Lire: La production d'énergie (CEA) http://www.cea.fr/jeunes/themes/l-energie/la-production-d-energie 10.2.3. Le point commun... Activité: (p116) - Quel est le point commun aux différents types de centrales ? Toutes ces centrales fonctionnent selon le même principe: Une source primaire d'énergie est exploitée pour obtenir (si ce n'est pas naturellement déjà le cas) de l'énergie mécanique (cinétique), celle d'un fluide (air, eau, vapeur), pour entrainer une turbine (ou équivalent). Celle-ci entraine à son tour l'axe d'un alternateur (rotor). Toutes les centrales électriques sont équipées d'un alternateur. Voir: Animation PCCL – La centrale thermique classique http://physiquecollege.free.fr/physique_chimie_college_lycee/troisieme/electricite/production _tension_alternative_centrale_thermique.htm Voici un bilan énergétique d'une centrale thermique à flamme: 10.2.4. Expériences Expérience: AE N°10 "production d'électricité" Lorsqu'on tourne la manivelle reliée à l'axe d'un alernateur l'énergie mécanique de l'actionneur est convertie (en grande partie) en énergie électrique, permettant au circuit électrique de faire circuler un courant électrique et ainsi allumer la lampe. Vous ne comprenez pas le bilan précédent ? Considérons l'expérience suivante: Expérience 2: (non réalisée) Dans une pièce étanche, on place une petite éolienne en face d'un ventilateur. Le ventialeur est relié électriquement à l'éolienne de sorte que celle-ci se comporte comme un générateur de tension. L'axe du ventillateur est relié à un système mécanique constitué d'un élastique et d'une manivelle. À l'état initial rien ne se passe. Puis quelqu'un tourne la manivelle, enroule lentement l'élastique autour de l'axe autant que possible puis lache la manivelle. Le ventilateur "tourne"... Que va-t-il se passer ? L'énergie mécanique potentielle de l'élastique, fournie par l'homme, va se convertir en énergie cinétique (courant d'air) grâce au ventilateur. Cette énergie cinétique va se convertir en énergie électrique via l'éolienne. Cette énergie électrique va permettre au ventilateur de fonctionner. Sauf que le ventilateur et l'éolienne ont des parties mobiles. Celles-ci frottent les unes sur les autres. Ce frottement dissipent de la chaleur... À l'état final, Plus rien ne bouge...À part les particules de l'air. En effet, la température de la pièce aura augmentée. 10.2.5. Bonus Nombreux sont les élèves qui s'interrogent sur ce que devient l'énergie électrique "produite", entre la centrale et "la maison". Voici un élément de réponse: Lire: De la centrale à la ville (CEA) http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations-flash/energies/de-la-centrale-a-la-ville 10.3. Les procédés renouvelables de conversion d'énergie Qu'est-ce qu'une énergie renouvelable ? Soyons clair, une énergie renouvelable, ça n'existe pas ! L'énergie ne se renouvelle pas puisqu'elle se conserve... L'appellation fait en réalité allusion à un procédé de conversion d'énergie qui utilise des ressources qui elles sont renouvelables. 10.3.1. Définition Une énergie est dite "renouvelable" lorsqu'elle est obtenue via un procédé de conversion qui utilise des ressources dont les stocks se renouvellent rapidement à l'échelle d'une vie humaine. Il faut bien reconnaître que "énergie renouvelable" est une appellation bien plus courte et très séduisante. Toutefois, son utilisation abusive entraine trop souvent de gros problème de compréhension. (ex: débats sur l'énergie). 10.3.2. Sources d'énergies renouvelables et non renouvelables Le pétrole, le charbon et le gaz naturel sont des combustibles dits "fossiles", car ils se sont formés et accumulés sous terre pendant es millions d'années. L'uranium est un métal extrait sous forme de minerai. Les noyaux d'atomes d'uranium sont relativement facile à "casser". Ce qui en fait un élément de choix pour le fonctionnement des centrale nucléaire. Ce sont des sources d'énergie non renouvelables: le temps nécessaire à leur formation est très long comparé au temps nécessaire pour les consommer. Les énergies dites renouvelables sont les énergies obtenues via le rayonnement solaire (solaire), le vent (éolienne) , l'eau (hydraulique) ou la terre (géothermie). Elles sont inépuisables à notre échelle et ne produisent pas directement de substances polluantes (ex: déchets radioactifs, CO2) 10.4. Discutons "écologie" Une fois les abus de languages, les "fausses bonnes idées", les enjeux économiques et politiques laissés de coté, il reste encore de vrais problèmes scientifiques: - Les barrages sont très polluants (beton, aménagement, écosystème...) Les éoliennes sont très fragiles, imposantes, bruyantes et apportent peu d'énergie. Les panneaux solaires sont diffiles à placer. La géothermie est très chère (sauf lieux particuliers: Island, etc...) Voir: C'est pas sorcier: énergie de la mer – des océans au courant https://www.youtube.com/watch?v=BbrFQfnnWqE Voir: C'est pas sorcier: nouvelles énergies https://www.youtube.com/watch?v=kCYyrkBjdv4 De manière générale, les systèmes d'énergies renouvelables sont intermittants (Ils ne produisent pas de l'énergie en grande quantité constamment). Et malheureusement, on ne sait pas stocker l'énergie électrique... Voir: CNRS – énergies renouvelables: le defi du stokage https://lejournal.cnrs.fr/videos/energies-renouvelables-le-defi-du-stockage D'un autre coté, la physique nous apprend que l'énergie nucléaire est la plus "efficace" possible. (Les manifestations électromagnétiques et gravitationnelles d'énergies sont bien moins productives). La fission est dangeureuse et produit des déchets. La fusion n'en est encore qu'à ses débuts... Alors que faire ? Voir: C'est pas sorcier: énergie nucléaire https://www.youtube.com/watch?v=3alIeGA8vnA Surfer: Le 1er réacteur de fusion nucléaire https://www.iter.org/fr/accueil 10.5. Bonus Simuler: toutes les animations "Énergie CEA" http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations-flash/energies Lire: dossier développement durable – futura science http://www.futura-sciences.com/magazines/environnement/infos/dossiers/d/developpementdurable-energie-renouvelable-tour-horizon-836/ Lire: Dossier énergies - Ostralo.net http://www.ostralo.net/5_sites/flash/energie.swf Surfer: 2 ou 3 choses à propos du développement durable http://www.23dd.fr/ Vous pensez que trouver une solution de modèle énergétique durable est facile ? Faites vos preuves ici: Jouer: Composez le parfait mix énergétique - CEA http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations-flash/energies/la-production-d-energie Travailler avec le livre: Bordas 2008 Documents p114-115 puis p122-123 Activités p116 à 119 Cours p120-121 Exercices p124 à 129 Chapitre 11. L'alternateur 11.1. Introduction Vers 1830, les grands physiciens cherchaient à exploiter les découvertes de la nature de l'électricité. Étrangement, tous ces travaux semblaient inutiles et sans intérêt aux yeux du grand public... Lire: http://www.ampere.cnrs.fr/parcourspedagogique/zoom/faraday/induction/ 1822 – M.Faraday, 1825 – J.D.Colladon, 1831-J.Henri, 1831 – A.M.Ampère, 1861 – J.C.Maxwell Le 1er alternateur a été réalisé fin 1831. Son fonctionnement a pu être établi grâce (principalement) aux travaux de Faraday et Ampère. Il est constitué d'électroaimant(s) et de bobine(s) électrique(s). 11.2. La bobine électrique 11.2.1. Principe de fonctionnement Une bobine électrique est un dipôle constitué d'un enroulement circulaire (ou cylindrique) de fil conducteur. Le fait d'avoir des boucles superposées, les unes à coté des autres, isolées électriquement, appelées spires, a un impact sur le comportement du courant électrique qui circule dans le fil. Remarque: Nous apprendrons (plus tard) qu'une particule chargée électriquement (ici l'électron) en mouvement dans un champ magnétique est déviée. Si tout les électrons sont fortement déviés dans la même direction on obtient un courant électrique. 11.2.2. Symbole et représentation La grandeur caractéristique d'une bobine électrique est l'inductance, notée L, exprimée en Henri (H). D'où l'appellation (auto)inductance, "self" en anglais. Symbole électrique: 11.2.3. Expérience de Colladon (1825) En 1825, Jean Daniel Colladon réalise une expérience visant à faire apparaitre un courant électrique induit dans un circuit en déplacant un aimant à proximité d'un enroulement (bobine). Ce fût un echec... erreur d'interprétation. Il faut attendre 1831 pour que Faraday explique correctement le phénomène (d'induction). Expérience: AE n°11 principe de l'alternateur On réalise le circuit suivant: Observations: - Si l'aimant est immobile alors la tension électrique aux bornes de la bobine est nulle. UL = 0 V - Si l'aimant est en mouvement alors une tension électrique aux bornes de la bobine apparait. UL ≠ 0 V. Plus l'aimant bouge vite, plus la valeur de la tension est grande. Interprétation: - Champ magnétique (via l'aimant) et champ électrique (via tension) sont liés. - Un aimant en mouvement à proximité d'une bobine fait appaitre à ses bornes une tension variable dans le temps. Simuler: Le principe de l'alternateur - PCCL http://physiquecollege.free.fr/physique_chimie_college_lycee/troisieme/electricite/aimant_b obine_alternateur_production_tension_alternative.htm Voir: Boussole et champ magnétique http://www.canal-u.tv/video/tele2sciences/une_experience_a_la_facon_d_rsted.12547 11.3. L'alternateur 11.3.1. Définition Un alternateur est un dispositif électromécanique qui convertit de l'énergie cinétique provenant de la rotation de l'arbre d'entrée en énergie électrique (tension, courant) exploitable en sortie. 11.3.2. Constitution Un alternateur est constitué de deux parties: • Le stator (statique, fixe) constitué d'un assemblage de bobines réparties le long de celui-ci. • Le rotor (rotation, mobile) constitué d'un axe sur lequel est implanté un électroaimant. Voir: L'alternateur – CEA http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations-flash/energies/la-turbine-et-l-alternateur 11.3.3. Principe de fonctionnement Lorsque le rotor est en rotation ses aimants sont en mouvement à proximité des bobinages. L'alternance des positions des poles Nord / Sud créée une tension alternative. Si la rotation du rotor est effectuée à vitesse constante, la tension obtenue est sinusoïdale. Voir: Principe de l'alternateur https://www.youtube.com/watch?v=0j2uS78H8Qs Voir: Courant électrique via un alternateur https://www.youtube.com/watch?v=NTkeNEv6mQY Chapitre 12. Tension continue et tension alternative périodique 12.1. Rappels: tension électrique La tension électrique, notée UAB, exprimée en Volts (V) est la grandeur correspondante à la différence de potentiels électriques (ddp) entre les bornes A et B d'un circuit électrique. "Le potentiel électrique est au circuit électrique ce que l'altitude est au cours d'eau." Le potentiel électrique est différent en tout point du circuit électrique. Cependant, considérer que la tension aux bornes d'un fil est nulle est équivalent à dire que le potentiel électrique n'est différent qu'entre chaque élément du circuit. Propriétés: UAB = VA – VB = -(VB - VA ) = - UBA Voir aussi: lois des mailles (additivité des tensions) On mesure la tension électrique en utilisant un voltmètre, branché en dérivation. Inverser les bornes du voltmètre revient à changer le signe de la valeur de la tension. 12.2. Approche historique La guerre des courants est une controverse technique et industrielle qui s'est déroulée principalement aux États-Unis à la fin des années 1880. Elle opposa Thomas Edison, partisan de l'utilisation d'un courant continu (DC, direct current) pour le transport et la distribution d'électricité, à George Westinghouse et Nikola Tesla, promoteurs de l'utilisation d'un courant alternatif (AC, alternating current). Voir: Tesla, master of lightning https://www.youtube.com/watch?v=RB882PSnnJY Les courants (et tensions) continu et alternatif ont des propriétés distinctes que nous allons développer dans ce chapitre. Attention: Dans un souci de cohérence de l'ensemble du programme de 3ème, les définitions données seront les définitions usuelles d'électrotechnique. 12.3. Tension variable, tension périodique 12.3.1. Tension variable Une tension est dite variable si sa valeur varie au cours du temps. Sinon, elle est dite constante*. Remarque: Par convention, une grandeur constante est désignée par une grande lettre (ex: U) et une grandeur variable par une minuscule (ex: u(t) ou simplement u). "u" en fonction de "t " Tension constante* Tension variable (*)Attention: Généralement, une tension constante est dite continue. En électrotechnique, une tension constante est dite continue parfaitement lissée. La définition de tension continue sera donnée par la suite. Pour étudier une tension variable, il faut un voltmètre et un chronomètre. On relève pour chaque instant (t) la valeur prise par la tension (u). Les résultats peuvent être présentés sous forme d'un tableau de valeurs et/ou sous forme d'un tracé de la courbe représentative de u en fonction de t. Simuler: Tracé d'une tension "à main levée" http://physiquecollege.free.fr/physique_chimie_college_lycee/troisieme/electricite/tracer_evol ution_tension_alternative_temps.htm 12.3.2. Tension périodique Les tensions variables peuvent être organisées en deux catégories distinctes: Les tensions périodiques et les tensions non-périodiques (dites apériodiques). Une tension est dite périodique si elle reprend les mêmes valeurs à intervalles de temps réguliers. La courbe représentative de u(t) est une répétition d'un motif élémentaire. Une tension périodique est caractérisée par sa valeur maximale et sa période. La période (fondamentale) d'une tension périodique, notée T, exprimée en secondes (s), correspond à la durée d'un motif élémentaire. C'est donc l'intervalle de temps au bout duquel la grandeur variable u(t+T) reprend la même valeur u(t), quelque soit t. Simuler: exercice Ostralo - gyrophare http://exercices.ostralo.net/seconde/I1/I1_03_gyro.htm "précision de mesure de la période" La valeur maximale (ou valeur crête) d'une tension périodique, notée ou Umax, correspond à la plus grande valeur u(t) prise par la tension au cours du temps. La valeur minimale d'une tension périodique, notée Umin, correspond à la plus petite valeur u(t) prise par la tension au cours du temps. 12.4. Tension alternative, tension continue 12.4.1. Expérience Expérience: AE n°12 Tension continue et tension alternative Qu'observe-t-on si la tension aux bornes du générateur est alternative ? 12.4.2. Définitions Une tension périodique de valeur moyenne nulle ("centrée sur 0 V"), est dite alternative. Sinon, elle est dite continue. Le régime alternatif est symbolisé par Le régime continu est symbolisé par Exemple: U = 5 V est dite continue. (Elle est constante, donc continue...) Remarques (pour le professeur): Cette définition trouve sa justification dans la décomposition en série de Fourrier d'un signal périodique. "Signal périodique = composante continue + composantes alternatives". Ex: u(t) = 3 + 2 sin(wt) => tension continue (mais pas constante). En classe, on limitera l'appelation "continue" au cas de tension constante. Exemples: A, C, D, E et F sont des tensions variables. A, C, D et E sont des tensions périodiques. D et C sont des tensions alternatives. A, B et E sont des tensions continues. 12.5. Tension sinusoïdale 12.5.1. Caractéristiques Une tension est dite" sinusoïdale" lorsque la courbe représentative de son évolution au cours du temps est une sinusoïde ("belles vagues régulières"). Elle est caractérisée par son amplitude et sa période (et d'un paramètre renseignant de la façon dont la courbe "démarre" – Oublions cela pour le moment). Il vous sera démontré (peut-être) plus tard qu'étudier une tension périodique, quelle qu'elle soit, revient à étudier des tensions sinusoïdales. 12.5.2. Cas particulier: tension sinusoïdale alternative Nous ne retiendrons cette année que le cas d'une tension sinusoïdale dont la courbe représentative est "centrée sur 0 V". Ainsi, la tension est alternative et on a: Umax = - Umin = "Amplitude" Voir: reconnaitre et caractériser une tension sinusoïdale alternative http://perso.numericable.fr/celinechopin/documents/tension_alternative.swf 12.6. Bilan On étudie les tensions aux bornes d'une pile (en vert) et d'un Générateur Basse Fréquence (en rose): Tracés des courbes représentatives des tensions étudiées: Caractéristiques des tensions observées: - La tension aux bornes de la pile est continue: U = 3 V - La tension aux bornes du GBF est sinusoïdale (donc périodique), de période T = 60 s d'amplitude A = 4,4 V. On a: Umax = - Umin = 4,4 V Travailler avec le livre: Bordas 2008 Documents p130-131 puis p138-139 Activités p132 à 135 Cours p136-137 Exercices p140 à 143 Chapitre 13. Les instruments de mesures de tension et de durée L'oscilloscope AE n°13 L'oscilloscope 13.1. Généralités Nous avons vu au chapitre précédent que l'étude d'une tension variable peut se faire via l'utilisation d'un voltmètre (pour les valeurs de la tension) et d'un chronomètre (pour les valeurs du temps). Il existe un instrument de mesure combinant les deux, qui permet de visualiser directement la courbe représentative de la tension u(t): l'oscilloscope. Un oscilloscope est un instrument de mesure de tension (en volts) et de durée (en secondes) constitué d'un écran pour la visualisation de u(t) et d'une partie commande permettant de "régler le tracé". Il se branche en dérivation. Voici le modèle d'oscilloscope que nous utilisons au collége. Sur notre oscilloscope, il y a deux parties: l'écran et les commandes. Les commandes sont organisées en trois zones: - Les commandes de puissance: (on/off, intensité lumineuse et netteté du tracé) - Les commandes de mesures de tension. - Les commandes de mesures de durée. Ça a l'air compliqué, il y a plein de boutons... Pas de panique! Nous allons commencer par étudier son fonctionnement en faisant une modélisation très simplifiée de cet oscilloscope. 13.2. Modèle simplifié En gros, une courbe à l'oscilloscope est comme une courbe sur une feuille élastique, qu'on peut étirer en hauteur mais aussi en largeur, créant une sensation de zoom. Voyons ça de plus près. Il y a deux curseurs: - La sensibilité horizontale, notée Sh, exprimée en s /div. - La sensibilité verticale, notée Sv, exprimée en V/div. Méthode: La valeur de la tension est obtenue en comptant le nombre de divisions (carreaux) à la verticale, multiplié par la sensibilité verticale. La durée est obtenue en comptant le nombre de divisions (carreaux) à l'horizontale, multiplié par la sensibilité horizontale. 13.2.1. Mesure de la valeur d'une tension Simuler: oscilloscope simplifié + pile http://physiquecollege.free.fr/physique_chimie_college_lycee/troisieme/electricite/oscilloscop e.htm Exemple: D'après l'oscilloscope du dessus, la tension aux bornes de la pile est continue: "U = 2,25 div" et Sv = 2 V/div donc: U = 2,25 . 2 U = 4,5 V La tension aux bornes de la pile est de 4,5 V 13.2.2. Mesure d'une durée: la période Nous venons de voir comment relever une valeur de tension. Maintenant essayons de relever une durée (ex: période). Simuler: oscilloscope simplifié + GBF http://physiquecollege.free.fr/physique_chimie_college_lycee/troisieme/electricite/oscilloscop e_U_T.htm La fréquence, notée f, exprimée en Hertz (Hz), correspond au nombre de répétitions du motif élémentaire par seconde. Ainsi, f = 1 / T. Exemple: D'après l'oscilloscope du dessus, la tension aux bornes du GBF est sinusoïdale (et alternative, centrée sur 0 V): Son amplitude: "Umax = 3 div" et Sv = 2 V/div donc: Umax = 3 . 2 Umax = 6 V L'amplitude de la tension aux bornes du GBF est de 6 V. Sa période: "T = 8 div" et Sh = 0,5 ms/div donc: T = 8 . 0,5 . 10-3 T = 4 . 10-3 s soit 4 ms La période de la tension aux bornes du GBF est de 4 ms. Sa fréquence: f=1/T f = 1 / (4 . 10-3) f = 0,25 . 103 Hz soit 250 Hz La fréquence de la tension aux bornes du GBF est de 250Hz. Attention: Changer Sh et Sv ne change pas la tension, mais seulement la façon de l'afficher. 13.3. Modèle complet Revenons maintenant à un oscilloscope un peu plus élaboré... Simuler: simulateur d'oscilloscope + GBF http://scphysiques.free.fr/2nde/documents/oscilloetGBF.swf On constate rapidement qu'il est possible de visualiser deux tensions. Les sensibilités verticales de l'une et de l'autre sont indépendantes. On peut afficher: - uniquement la voie 1 (CH1) - uniquement la voie 2 (CH2) - les deux en même temps (ADD). Le quadrillage de l'écran joue le rôle de "feuille à carreaux". On peut y choisir l'emplacement de notre courbe: - haut / bas - (Y POS) pour chacune des 2 voies - gauche / droite – (X POS) Chaque voie dispose d'un curseur 3 positions: - (AC) => retire la composante continue d'un signal, "centre sur 0 V" - (DC) => garde la composante continue d'un signal, "tension réelle" - (GND) => affiche le 0 V, "renseigne de la position de notre axe des abscisses" Pour plus d'informations, regardez ici: Voir: animation fonctionnalités oscilloscope http://olical.free.fr/oscillo.swf Voir: tutoriel oscilloscope et mesure de période http://www.youtube.com/watch?v=hFbx0VDcavc 13.4. La tension du secteur 13.4.1. Caractéristiques La tension du secteur est alternative et sinusoïdale. Sa Sa Sa Sa valeur efficace est Ueff = 230 V valeur maximale est Umax = 325 V période est T = 20 ms fréquence est f = 50 Hz 13.4.2. Les prises de courant Une prise monophasée possède généralement: - Une borne mâle (broche): reliée à la terre => Fil vert et jaune. - Deux bornes femelles (trous): La phase Le neutre, reliée à la terre => Fil bleu. La terre joue le rôle de masse, la référence des potentiels => 0 V. Lire: la tension du secteur http://webetab.ac-bordeaux.fr/Pedagogie/Physique/Physico/Electro/e06secte.htm Lire: Dangers électriques http://www.passionbassin.com/dossiers/electricite/electricite-bassin-1.php Travailler avec le livre: Bordas 2008 Documents p144-145 puis p152-153 Activités p146 à 148 Cours p149-151 Exercices p154 à 159 Chapitre 14. Mesure d'une tension 14.1. Valeur efficace d'une tension 14.1.1. Définition La valeur "efficace" d'une tension alternative, notée U ou Ueff trouve son explication dans la conversion d'énergie électrique: La valeur efficace d'une tension variable correspond à la valeur de la tension continue qu'il faudrait appliquer aux bornes d'une même résistance, pour dissiper une quantité de chaleur identique. 14.1.2. Illustration La même résistance, alimentée par des générateurs différents (variable à gauche, continu à droite), dissipe (en moyenne) la même chaleur. 14.1.3. Expérience Lorsqu'une lampe à incandescance est alimentée par un GBF, on ne la voit pas clignoter. Pour autant, la tension à ses bornes varie (et prend même la valeur 0 V). Rappelons qu'une lampe à incandescence brille parce que son filament chauffe ! La période de la tension étant très courte (T = 20 ms pour la tension du secteur), la fréquence relativement grande (f = 50 Hz), le filament n'a pas le temps de refroidir significativement, et donc émet de la lumière continuement. La lumière émise est comparable à la lumière qu'émettrait cette même lampe si elle était alimentée par une pile de tension continue de valeur égale à la valeur efficace de la tension du secteur. 14.2. Calcul et mesure de la valeur efficace d'une tension 14.2.1. Cas particulier: tension sinusoïdale La valeur efficace d'une tension s'obtient par un calcul mathématique (niveau Terminale). Toutefois, elle s'exprime facilement pour une tension sinusoïdale: Pour une tension sinusoïdale, on a la relation: Ueff = Umax/√2 soit Umax = Ueff.√2 14.2.2. Mesures Pour une tension sinusoïdale, un voltmètre utilisé en mode alternatif (ACV) indique la valeur efficace de cette tension. Voir: mesure valeur efficace d'une tension – voltmètre en ACV https://www.youtube.com/watch?v=4-1DXZQwRpE Expérience: AE n°14 Mesure de valeur efficace Vérifions la relation Ueff= Umax/√2 On fait varier l'amplitude de la tension aux bornes du générateur. - À l'oscilloscope: on relève la valeur maximale (Umax) - Au voltmètre: on relève la valeur effiace (Ueff ) On vérifie la valeur des rapports de proportionnalités Umax/Ueff dans chacun des cas. Simuler: amplitude fréquence période valeur efficace et maximale, sinusoidale http://physiquecollege.free.fr/physique_chimie_college_lycee/troisieme/electricite/tension_alt ernative_sinusoidale.htm 14.3. Plaque signalétique et grandeurs électriques Sur la plaque signalétique d'un appareil électrique, on peut y lire: - La La Le La valeur efficace de tension fréquence regime de fonctionnement puissance nominale Chapitre 15. La puissance électrique 15.1. Introduction Il est important de remarquer qu'un appareil électrique reçoit de l'énergie électrique et la convertie en plusieurs autres formes d'énergies: - énergie thermique (via la chaleur) énergie rayonnante (lumière) énergie mécanique (mouvement, position...) etc... La puissance électrique est une grandeur mentionnée dans les caractéristiques électriques d'un appareil (sur sa plaque signalétique). À quoi correspond cette grandeur ? 15.2. Puissance électrique 15.2.1. Définition La puissance, notée P, exprimée en Watts (W) quantifie la capacité d'un dispositif à convertir de l'énergie plus ou moins rapidement. Remarque: Plus un appareil est puissant, plus il sera capable de convertir rapidement une grande quantité d'énergie. 15.2.2. Exemples d'ordres de grandeurs 1 1 1 1 1 mW W kW MW GW => calculatrices, montres à quartz => lampes à incandescence => appareils électroménagers => TGV, grandes éoliennes => centrales nucléaires 15.2.3. Bonus: le rendement le rendement rend compte du % de puissance exploitable. Exemple: Une éolienne reçevant 3 MW (vent) exploite en réalité que 1,35 MW et la puissance utilisable (électrique) n'est que de 1,18 MW. Soit un rendement de 39%. 15.3. Plaque signalétique d'un appareil électrique Un appareil électrique dispose d'une plaque signalétique informant de ses propriétés électriques. On peut y lire: - La Le La La La marque du fabriquant numéro de série valeur "nominale" de la tension et sa nature (voir 14.3) fréquence du signal d'alimentation valeur "nominale" de la puissance les grandeurs nominales correspondent aux valeurs "normales" d'utilisation, recommandées pour assurer le bon fonctionnement et éviter la détérioration prématurée du système. 15.4. Relation entre P,U et I Un appareil électrique reçoit de l'énergie électrique au cours de son fonctionnement. Nous observons d'apparition d'un courant et d'une tension. 15.4.1. Expérience Expérience: AE n°15 puissance électrique Pour une lampe de puissance nominale P = 25 W et de tension nominale 12 V, on reléve: I = 2,1 A Pour la même lampe, alimenté en 6 V, on reléverai: I = 4,2 A Quel est le lien entre P, U et I ? Qu'aurait-on relevé en régime alternatif ? 15.4.2. Définition La puissance électrique, notée P, exprimée en Watt (W) d'un dipôle ohmique est égale au produit de la valeur de la tension efficace Ueff (ou U) à ses bornes par la valeur efficace de l'intensité Ieff (ou I) du courant qui le traverse: Exemple: Dans le cas de l'expérience précédente, on vérifie: P = U.I =12 x 2,1 = 25 W Pourquoi les lampes à incandescences sont-elles remplacées progressivement par des lampes à DEL ? 15.5. Dispositif de sécurité Étude de documents: Lorsqu'un fusible (ou dispositif coupe-circuit) est traversé par un courant d'intensité trop élevée, il "saute": il se comporte alors comme un interrupteur ouvert. Le circuit électrique est ouvert, le courant ne circule plus. Expérience: AE n°15 surintensité Que se passerait-il si la seconde lampe était racordée (en dérivation) au circuit ? Simuler: puissance en courant alternatif http://www.sciences.univ-nantes.fr/sites/genevieve_tulloue/Elec/Alternatif/Puissance.php 15.6. Bonus Simuler: puissance électrique http://physiquecollege.free.fr/physique_chimie_college_lycee/troisieme/electricite/puissance_ coupe_circuit_surintensite.htm Que se passe-t-il lorsque les "plombs sautent" ? Expliquer cette expression. Travailler avec le livre: Bordas 2008 Documents p160-161 puis p168-169 Activités p162 à 165 Cours p166-167 Exercices p170 à 175 Chapitre 16. La mesure de l'énergie électrique 16.1. Historique (bonus) 16.1.1. Deux pas de plus vers la conservation de l'énergie Vers 1840, entre deux expériences de thermodynamique, J.P Joule (1818-1889) trouva le temps de découvrir une n-ième manifestation de l'énergie. En réalité, il projetait de remplacer les machines à vapeur par des motorisations électriques... rien que ça. Joule part du principe qu'un matériau conducteur électrique assure le déplacement des charges électriques et que celà ne peut se faire sans l'interaction des atomes constitutifs du matériau. Il interprète alors cette interaction comme le facteur d'une perte d'énergie. On parle de résistivité du matériau. L'énergie nécessaire au déplacement des porteurs de charges (courant électrique) ne sera pas totalement restituée en énergie électrique. Une partie sera dissipée sous forme d'énergie thermique (chaleur). Ce phénomène sera appelé "effet Joule". Les applications de cette loi sont innombrables: lampe à incandescence, chauffe-eau, radiateur, grille-pain, séche-cheveux, électrochirurgie... En 1845, Joule lit ses résultats d'une expérience qui révèlera l'équivalence entre énergie mécanique et la chaleur. Il s'aperçoit qu'un objet massique, relié par un fil à une hélice plongée dans un récipient d'eau fermé, en chutant, augmente la température de cette eau. Or, à cette époque, ses travaux en thermodynamique permettent de faire le lien entre chaleur et variations de température. Voici ses résultats: Pour élever la température, d'une livre d'eau (environ 0,453 kg) d'un degré Fahrenheit (1°F), il faut fournir un travail d'environ 819 livres.pieds (qu'il affinera plus tard à 772 livres pied). Ce résultat permet d'introduire la 1ère unité de chaleur, la calorie: 1 cal de chaleur est necessaire pour élever la température d'1 g d'eau liquide, de 4°C à 5°C. Les travaux de Joule, démontrant les équivalences entre différentes formes d'énergie, sont d'incontestables avancées vers le principe de la conservation de l'énergie. 16.1.2. La naissance d'une unité Une fois le principe de conservation de l'énergie énoncé, il suffit de choisir une de ses formes pour exprimer une des nombreuses unités de l'énergie. Joule a utilisé la calorie (cal) pour exprimer la chaleur. Le travail, abordé dans son expérience équivalence énergie mécanique/thermique, peut s'exprimer en Newtonmétres (N.m). En hommage à ses travaux dans le domaine de l'électricité, le Joule (J) est devenu l'unité (dérivée du S.I) pour quantifier l'énergie. D'autre part, l'énergie cinétique (introduite "rapidement" lors de l'étude des centrales électriques) est proportionnelle à la masse du corps en mouvement et du carré de sa vitesse et s'exprime donc en kg.m2.s-2. Dans le système internationnal, le kg.m2.s-2 est une unité de l'énergie. 16.1.3. Le Joule et la vie courante Voici quelques exemples de quantités approximatives d'énergies converties lors d'actions de la vie courante: • 1 joule: - l'énergie requise pour élever une pomme (100 g) d'un mètre dans le champ de pesanteur terrestre. - l'énergie nécessaire pour élever la température d'un gramme (un litre) d'air sec d'1°C • 4,18 joules: - l'énergie requise pour élever la température d'un gramme d'eau d'1°C. • 1000 joules: - la quantité de chaleur dégagée en dix secondes par une personne au repos. - l'énergie nécessaire à un enfant de 30 kg pour grimper 3,40 m - l'énergie consommée par une requête Google. • 1 mégajoule (un million de joules): - 16,7 minutes de chauffage par un radiateur de 1000 W. • Monter 10 mètres à pied pour une personne de 70 kg, prend 6867 joules, soit 1640,7 calories, donc 1,64 kcal, sans compter l'énergie dépensée par les frottements, les mouvements et le fonctionnement des organes du corps humain. Lire: Le Joule http://fr.wikipedia.org/wiki/Joule 16.2. L'énergie électrique Le travail (énergie) fourni par un circuit électrique pour faire circuler un courant d'un ampère à travers une resistance d'un ohm pendant une seconde est de un 1 Joule (J). Remarque: E = R.I².t La loi de Joule s'écrit: Or la loi d'Ohm s'écrit: U = R.I d'aprés la relation vue au 15.4.2: ainsi E = U.I.t E = P.t ou E = U².t/R L'énergie électrique, notée E, exprimée en Joule (J), transférée à un appareil électrique est égale au produit de sa puissance P (en W) par sa durée t (en s) de fonctionnement: Remarque importante: Le joule est une unité très petite à l'échelle macroscopique. On utilise habituellement le kilowattheure (kWh) pour exprimer la quantité d'énergie électrique. Par définition: 1J=1W.1s <=> 1 kWh = 1000 W . 3600 s <=> 1 kWh = 3600000 J On retiendra qu'1 kWh = 3,6 . 106 J ou 3,6 MJ (mégaJoule). Remarque: En toute rigueur: "t" désigne "un instant". Une durée est alors notée ∆t telle que: ∆t = t2 – t1. Ainsi, on a : E = P. ∆t, la quantité d'énergie convertie entre les instants t1 et t2. 16.3. La consommation électrique 16.3.1. Mesure de la consommation électrique Un compteur électrique est un dispositif dans lequel un disque gradué "tourne" proportionnellement à la quantité d'énergie électrique consommée. Pour "mesurer" la consommation énergétique sur une certaine durée, il suffit de calculer la différence entre deux relevés numériques (début et fin) du compteur. Voir: consommation électrique - compteur https://www.youtube.com/watch?v=Qf2RusAk1Do 16.3.2. Facture électrique La facture détaillée de la consommation d'électricité domestique fait apparaitre le prix du kWh en discernant heures creuses (HC) et heures pleines (HP). Saurez-vous retrouver la consommation du client et le coût total ? Quelle économie annuelle peut-on réaliser en ne consommant qu'en heure creuse ? 16.4. Ressources énergétiques renouvelables de la planète Travailler avec le livre: Bordas 2008 Documents p160-161 puis p168-169 Activités p162 à 165 Cours p166-167 Exercices p170 à 175