Systèmes électriques - bilans énergétiques
 Echange d'énergie d'un dipôle avec le reste du circuit
   1.1 Travail
   1.2 Puissance
   1.3 Unité
2 Echange d'énergie d'un dipôle avec le milieu ambiant
   2.1 Effet Joule
   2.2 Travail
   2.3 Rayonnement
3 Cas d'un conducteur ohmique
   3.1 Caractéristique
   3.2 Puissance reçue du reste du circuit
4 Cas d'un récepteur
   4.1 Caractéristique
   4.2 Puissance reçue du reste du circuit
5 Cas d'un générateur
   5.1 Caractéristique
   5.2 Puissance reçue du reste du circuit
6 Rendement d'un récepteur ou d'un générateur
   6.1 Définition
   6.2 Expression
7 Bilan énergétique d'un circuit

 

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1 Echange d'énergie d'un dipôle avec le reste du circuit

 

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Un dipôle parcouru par un courant d'intensité I échange de l'énergie avec le reste du circuit.
Le mode de transfert est le travail des forces électriques.

1.1 Travail

 

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Pendant la durée t, les forces électriques s'exerçant sur les charges qui traversent un dipôle AB, parcouru par un courant d'intensité I circulant de A vers B effectuent le travail :


Si ce travail est positif, le dipôle AB reçoit du circuit une énergie égale à.
Si ce travail est négatif, le dipôle cède au circuit une énergie égale à.


1.2 Puissance

 

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De la définition de la puissance, , il résulte que la puissance des forces électriques est :
Si elle est positive, le dipôle AB a reçu cette puissance.
Si elle est négative, le dipôle AB a cédé cette puissance.

1.3 Unité

 

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La tension U s'exprime en volt (V), I en ampère (A), t en seconde (s), W en joule (J) et P en watt (W).

2 Echange d'énergie d'un dipôle avec le milieu ambiant

 

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Lorsqu'un dipôle est traversé par un courant, il y a transfert d'énergie entre le dipôle et le milieu ambiant.

2.1 Effet Joule

 

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Lorsqu'il est traversé par un courant d'intensité I, un dipôle, quel qu'il soit, s'échauffe : c'est l'effet Joule.
Le dipôle échauffé va céder de l'énergie par chaleur au milieu ambiant.

2.2 Travail

 

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Lorsqu'il est traversé par un courant, un dipôle peut effectuer un travail (moteur électrique). Il cède alors de l'énergie au milieu ambiant par travail.

2.3 Rayonnement

 

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Traversé par un courant, un dipôle peut émettre de la lumière (lampe électrique). Il cède alors de l'énergie au milieu ambiant.

3 Cas d'un conducteur ohmique

 

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3.1 Caractéristique

 

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La loi d'ohm s'écrit, pour un courant traversant le conducteur ohmique de A vers B :
où R est la résistance du conducteur ohmique.

3.2 Puissance reçue du reste du circuit

 

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Loi de Joule :

Cette puissance est toujours positive.

Un conducteur ohmique reçoit de l'énergie du reste du circuit.
Le dipôle s'échauffe. Puis sa température reste constante : à chaque instant, l'énergie reçue du reste du circuit par travail des forces électriques est cédée au milieu ambiant par chaleur.
La puissance correspond à l'effet Joule.


4 Cas d'un récepteur

 

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4.1 Caractéristique

 

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La loi d'ohm s'écrit :
E' est la force contre-électromotrice, R est la résistance.

4.2 Puissance reçue du reste du circuit

 

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Cette puissance est toujours positive. Un récepteur reçoit de l'énergie du reste du circuit. La puissance est la somme des deux termes : et RI² correspond à l'effet joule Joule. Cette puissance est reçue par le récepteur qui la cède au milieu ambiant par chaleur.

Pour le moteur E'.I correspond à l'énergie qui est transférée au milieu ambiant par travail des forces mécaniques ou des couples.


5 Cas d'un générateur

 

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5.1 Caractéristique

 

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Attention: le courant rentre par N et sort par P.



La loi d'ohm s'écrit :

5.2 Puissance reçue du reste du circuit

 

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Cette puissance et la somme algébrique de deux termes.

  • RI² correspond à l'effet Joule./ Cette puissance est reçue par le générateur qui s'échauffe; elle est cédée ensuite au milieu ambiant par chaleur.
  • - EI est le terme négatif. il correspond à l'énergie totale cédée par le générateur.

est donc négatif
Ce terme correspond à l'énergie cédée au reste du circuit.

 


6 Rendement d'un récepteur ou d'un générateur

 

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6.1 Définition

 

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Le rendement h est le rapport de la puissance (ou de l'énergie) effectivement utilisé à la puissance (ou à l'énergie) totale échangée.

6.2 Expression

 

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Dipôle
Récepteur
Générateur

Puissance utilisée

EI'

RI²-EI

Puissance totale transférée

E'I+RI²

EI

Rendement h <1


7 Bilan énergétique d'un circuit

 

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L'énergie transférée au circuit par travail des forces électriques est entièrement cédée :
- par effet Joule dans tous les conducteurs
- par travail de forces mécaniques par les moteurs
- par transformations chimiques dans les électrolyseurs

Au total, la puissance échangée par le circuit est nulle :

Or donc