Electrocinétique

2° Lois d'électrocinétique
régissant les circuits électriques.


2.1 Dipôles résistifs et générateurs

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Considérations d'énergie. Lois :P=UI ; P=RI2 ; P = U2/R
Conducteurs résisitfs - Résistance
Résistivité
Effets thermiques - Effet Joule - P=UI
Exercices pratiques
Générateurs de courant électrique - divers types - piles -
Force électromotrice d'un générateur ( f.e.m. )
Représentation schématique d'un générateur
Le générateurs à travers l'histoire...


Considérations d'énergie

Dans la partie "électrostatique" Lien : nous avons "établi la relation suivante :

qui exprime l'énergie W12 mise en jeu par le déplacement d'une charge q' d'un point M1 à M2 quelconques
en fonction de la différence de potentiel (U1- U2) entre ces points.
W12 en Joule - U1 et U2 en Volt - q' en Coulomb

Si nous nous plaçons entre deux points quelconques d'un circuit,
et que nous appliquons la formule précédente pendant un court laps de temps dt.
pendant lequel s'écoule une charge dq
l'énergie mie en jeu sera : dW
= (U1-U2).dq

En divisant
par dt les deux membres de l'égalité : dW = (U1-U2).dq ,
on a à gauche du signe égal :
dW/dt qui est (par définition) la puissance P (en Watt) fournie pendant le temps dt (en secondes)

et à droite du signe égal :
dq/dt est l'intensité I du courant (quantité de charge par seconde)

En définitive
P =
(U1-U2) . I

Cette formule est valable même si le courant est variable.
car nous avons pris des valeurs infinitésimales
pour dW,dq,dt

La puissance mise en jeu par le déplacement des charges (courant)
entre deux points d'un circuit électrique
est à tout instant
le produit de la tension entre ces deux points
par l'intensité du courant.
P = (U1-U2).I
P = U.I
P en Watt(W) ; U en V ; I en A

C'est une relation fondamentale de l'électrodynamique.
(à bien retenir)

Conducteurs résisitfs - Résistance -
On appelle ainsi des matériaux dont la constitution atomique permet à des charges électriques de circuler.
Ce sont généralement des métaux, dans lequels, les charges susceptibles de se déplacer sont des électrons.
Etude détaillée ici :
Loi d'Ohm

La tension U à laquelle on soumet un conducteur
et le courant I tranversant celui-ci du seul fait de cette tension
sont liés par la relation

U/I = R

R étant une constante dépendant :

  • de la la matière constituantle conducteur
  • de sa forme, dimensions
  • de sa température


R se nomme la résistance du conducteur

Dans le système d'unités SI en vigueur
la résistance a pour unité l'Ohm abréviation :


( U en Volt(V) - I en Ampère (A) - R en Ohm )

Cette loi a été expérimentalement observée pour la plupart des matériaux conducteurs.
Cependant, certains conducteurs (p.ex. les semiconducteurs) ne la suivent pas.

Un dipôle (élément à deux bornes) répondant à la relation : U/I = R constante
se nomme : "dipôle résistif"


Dipôle

Ces dipôles sont ordinairement appelés des "résistances".
Mais c'est incorrect, "résistance" doit être réservé à la valeur en Ohm du rapport U/I.

Résistivité

La résistance R d'un conducteur filaire de section constante S et de longueur L peut être évaluée
en fonction d'une caractéristique du matériau résistif nommée la résistivité (symbole )


L en mètre (m) - S en mètre carré (m2) R en Ohm ( )
en Ohm.mètre
Résistivités de quelques métaux mesurées à la température de 300° K (~27°C)

Métaux
(.m)
Argent
16 ×10-9
Cuivre
17 ×10-9
Or
22 ×10-9
Aluminium
28 ×10-9
Magnésium
43 ×10-9
Bronze
55 ×10-9
Zinc
61 ×10-9
Nickel
87 ×10-9
Laiton
71 ×10-9
Cadmium
76 ×10-9
Fer
100 ×10-9
Platine
111 ×10-9
Étain
120 ×10-9
Plomb
208 ×10-9

Exemple :
Résistance d'un fil en d'installation électrique en cuivre de section 1,5 mm2 et longueur 10m
17×10-9 x 10 / 1,5 x10-6 = 17/1,5 x10-2 = 0,113

Effet thermique du courant électrique - Effet Joule -

Si on joint les bornes d'un générateur d'électricité tel qu'une pile par exemple,
par un fil conducteur de l'électricité (fil métallique en général)
la température de ce fil ce fil augmente.

L'application la plus brillante de ce principe est l'ampoule électrique d'éclairage.
Il s'agit d'un fil conducteur (le filament) de diamètre très mince,
ce qui favorise l'augmentation de température au point qu'il atteint sa température d'incandescence.
C.à.d. la gamme de températures auxquelles les corps (s'ils ne se décomposent - brûlent - pas)
émettent des radiations lumineuses.

Plus la température est élevée, plus la lumière tend vers un blanc proche de la lumière solaire.
(on parle de tepérature de couleur : 2000°K lumière jaunâtre - 8000°K lumière blanc intense)


Le danger est que ce fil fonde ou qu'il s'oxyde à l'air. Résultat : il se coupe : extinction.
Edison imagina d'enfermer le filament
dans une ampoule vide d'air ou pleine d'un gaz qui ne le corrompt pas.

Filaments d'une ampoule auto phares+codes vus à travers l'ampoule de verre qui les protège.

Soit U la tension aux bornes d'une ampoule alimentée.
Soit I l'intensité qui la traverse.
Soit R la résistance du filament (à la températuredu filament alimenté)
Soit P la puissancedéveloppée par le filament l'ampoule.
(Puissance thermique).

Appliquons aux bornes de cette ampoule les eux relations vues précédemment.

P = U.I et R = U/I

Voici les relations très utiles pour les calculs pratiques ordinaires.

A retenir donc ...

Problèmes pratiques





Nota

L'effet thermique du courant électrique est le même quel que soit le sens du courant.

Si on applique un courant alternatif à un dipôle résistif,
les valeurs des tensions et courants à prendre en compte sont les valeurs efficaces.

Précisément, on définit la valeur efficace d'une tension ou un courant alternatifs
les valeurs correspondantes en courant continu qui auraient les mêmes effets thermiques.


Questions
Réponses
Intensité traversant une ampoule de 100 W sous 220 V ?
Quel est la puissance maximale d'un appareil de chauffage branché sur une prise connectée au tableau d'alimentation par des fils dont la section est 1,5 mm2 ?
Voir tableau ci-dessous.

Deux ampoules d'éclairage sont précues pour la même tension d'alimentation.
Elles ont des résistances différentes.
Laquelle est la plus puissante ? Celle ayant la plus grande
résistance ou l'autre ?

Deux ampoules prévues pour la même tension, de puissances différentes, sont mises en série.
Elles sont donc traversées par la même intensité.
Elles ne vont pas éclairer normalement, mais...laquelle éclairera le moins ?
Pourquoi transporte-t-on l'énergie électrique sous très haute tension (100 kV à 1 MV !) alors que c'est dangereux et coûteux en pylônes de grande taille pour prévenir leur approche ?


Sections minimales normalisées pour les cconducteurs d'installations domestiques
en fonction de l'intensité maximale admise.
Une insuffisance de la section des conducteurs fait courrir le risque de surchauffe par effet Joule
des conducteurs d'alimentation et par tant d'incendie.

Section (mm2)
Intensité maximale (A)
1,5
16
2,5
20
4
25
6
32
10
45
16
60
25
90

Générateurs de courant électrique

1° Divers types de générateurs

Si les charges électriques s'écoulent dans le circuit fermé c'est que des forces mettent chacune en mouvement.

Il y a de nombreux moyens d'exercer des forces sur des charges pour les mettre en mouvement,
c.à.d. pour produire un courant électrique.
Ce qui donne lieu à plusieurs genres de générateurs très différents.

  1. Générateurs électrostatiques
  2. Couples électrochimiques
  3. Générateurs à induction électromagnétique
  4. Générateurs opto électroniques (cellules photovoltaïques)
  5. etc.

1.1° Générateurs électrostatiques

Les "forces de Coulomb" : décrites ici

ont été mises en jeu dans les très vieilles machines électrostatiques
dont les décharges bruyantes et lumineuses dans l'air constituaient le courant.

On se sert aujourd'hui de tels générateurs modernisés
pour produire de très fortes tensions (MégaVolts - MV)
(générateurs Van De Graaf)

1.2° Générateurs électrochimiques

Les couples électrochimiques découverts par Volta en 1800 en sont une autre.

(Découverte historique décrite plus bas, cliquez iici)

Ces couples repoussent des charges électriques hors du pôle plus
et en attirent vers leur pôle moins.

(Je me place ici dans la convention du sens conventionnel du courant de charges positives)

Or, en réalité, les seules charges en mouvement dans les conducteurs métalliques
sont négatives (électrons)

Il est donc plus réaliste de dire que les couples électrochimiques
tendent à repousser des électrons par leur pôle moins
et à en attirer vers leur pôle plus.
Ces charges ne peuvant être mises en circulation continue
que si on établit une liaison métallique entre ces pôles.

Les piles et les accumulateurs sont des générateurs basés sur le principe des couples électrochimiques

1.3° Générateurs électromagnétiques
Enfin, nous verrons dans la section "électromagnétisme"
qui'il existe une troisième manière de produire des forces sur des charges électriques
dans ou hors des conducteurs d'un circuit.
Elle est radicalement différente mais la notion de potentiel est commune aux deux.
Autres
Certains montages électroniques permettent de créer des générateurs
ayant des caractéristiques adamptées à des problèmes particuliers.
Convertisseurs alternatif-continu. Alimentations stabilisées en tension, en courant. etc..
On rentre là dans le domaine de l'électronique traité dans un autre chapitre.

2 Force électromotrice (f.e.m) d'un générateur

Nous avons vu dans la section "électrostatique" Lien :

q
ue les forces électrostatiques agissant sur les charges électriques
pouvaient être caractérisées par un vecteur champ électrique
dérivant lui-même d'une fonction potentiel U.
Lien :
Et que cette grandeur potentiel était préférable en pratique à l'utilisation du champ.

C'est pourquoi on caractérise la "force motrice" qui impulse les charges dans un circuit
par une différence de potentiel plutôt que par un champ électrique.
(Ce qui, théoriquement, en électrostatique, reviendrait au même)

Cette "force motrice" appliquée aux charges se nomme "force électromotrice" du générateur
abrégée en f.e.m.

3 - Représentation schématique des générateurs

On appelle source de tension un générateur idéal qui maintiendrait entre ses bornes une tension constante
quel que soit le courant qu'il débite dans le circuit.

Ci-contre sa représentation dans le cadre jaune.

La tension constante qui génère
le déplacement des charges dans le circuit
se nomme force électromotrice
(abréviation : f.e.m.)

Et se mesure en Volt (V) dans le système SI

Nous verrons que les générateurs réels sont équivalents, électriquement,
à une source de tension en série avec une résistance (dite "résistance interne")

La tension constante générée par cette source de tension se nomme également f.e.m. du générateur

Et ceci quel que soit le type de générateur donc l'origine de cette f.e.m.
(électrochimique, électromagnétique, électrostatique, etc...)


Le point de départ historique de l'électrodynamique

Un courant électrique correspond à un déplacement de charges électriques.

Les décharges électriques sous forme d'étincelles lumineuses que produisent les machines électrostatiques
sont des courants. Quoique très faibles et peu utilisables industriellement.

C'est pourquoi nous nous intéresserons à partir d'ici surtout à des générateurs électriques
pouvant fournir des courants de charges électriques importants.
Capables, par exemple, d'éclairer durablement une lampe
ou de maintenir un moteur électrique en rotation malgré sa charge utile.

Historiquement, les premiers des générateurs ayant ce type de performances
furent les PILES inventées par Alessandro VOLTA.

J'en rappelle l'histoire étonnante.

Luigi Galvani était un médecin qui prétendait que le corps des animaux produisaient de l'électricité.
(Un poisson torpille émet en effet des décharges électriques atteignant 200 V)
Il expérimentait sur des muscles de grenouilles décérébrées
auxquelles il appliquant des pièces métalliques qui les faisaient tressaillir.

Alessandro Volta ne croyait pas que cette production animale d'électricité fut le cas général.
Un antagonisme courtois s'établit entre les deux hommes.
Volta
fit surtout l'observation que les deux pièces n'étaient pas du même métal ...
D'où l'idée qu'un couple de métaux différents pouvait peut-être créer l'électricité.

Dans son cabinet d'expériences, il fit le montage suivant :


Le principe
La réalisation

Il s'agit d'un empilement (pile) de rondelles métalliques de deux métaux différents alternées
entre lesquelles s'interposent des rondelles de feutre mouillées de saumure.
Ce qu'on appelle un "couple électrochimique"

Un seul couple suffit à créer un effet électrique entre les deux métaux.
On peut le déceler avec la langue où il produit un picotement léger mais sensible.

Plus on empile de couples électrochimiques,
plus on augmente l'effet électrique obtenu entre les pôles extrêmes...
La pile qu'Alessandro Volta présenta à Napoléon I° en 1800 développait 80 V.
Je déconseille vivement de la terster avec la langue !
(Nous étudierons les piles et les accumulateurs dans la section "Electrochimie").

Cette découverte de 1800 permit très vite, dans les quelques années qui suivirent,
d'étudier commodément les effets de courants électriques,
et de donner naissance aux inventions qui changèrent la vie pour des siècles.
Moteurs électriques - Dynamos génératrices de courants - Eclairage électrique - Alternateurs - etc.

 

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