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Constitution et transformations de la matière, électricité et mesure · Circuits électriques, source réelle et puissance

Source réelle, effet Joule et bilan de puissance

Un TGV est alimenté en 25 kV, et le courant circule dans des lignes qui s'échauffent. Pourquoi RTE transporte-t-il l'électricité sous 400 kV plutôt que sous 20 kV ? Pourquoi une pile qui débite beaucoup « chauffe » et voit sa tension baisser ? Une même idée répond aux deux questions : l'effet Joule.

Intensité et débit de charges

Dans un fil de cuivre, des électrons se déplacent. Plus il en passe par seconde à travers une section du fil, plus le courant est intense.

Une charge $Q$ est un multiple de la charge élémentaire : $Q = N \times e$ avec $e = 1{,}60\times10^{-19}\ \text{C}$. Le nombre d'électrons est donc $N = Q/e$.

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Un courant d'intensité $I = 0,50\ \text{A}$ traverse un fil pendant $\Delta t = 2,0\ \text{min}$. a) Rappeler la relation entre intensité et charge $Q$. b) Calculer la…

Un courant d'intensité $I = 0,50\ \text{A}$ traverse un fil pendant $\Delta t = 2,0\ \text{min}$.

  1. a) Rappeler la relation entre intensité et charge $Q$.
  2. b) Calculer la charge $Q$ transportée, puis le nombre d'électrons correspondant ($e = 1,60\cdot10^{-19}\ \text{C}$).
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Source réelle de tension

Une pile idéale garderait toujours la même tension. Or on constate qu'une pile qui débite beaucoup voit sa tension baisser : elle possède une résistance interne.

Pourquoi ? La loi des mailles donne $E = U + r\,I$ : une partie de la tension « est perdue » dans $r$. La caractéristique $U(I)$ est une droite décroissante d'ordonnée à l'origine $E$ et de coefficient directeur $-r$.

Caractéristique tension-courant d'une source réelle : droite décroissante de E à l'origine jusqu'au courant de court-circuit E I (A) U (V) Icc = E/r pente = −r

Quand les bornes sont reliées par un fil ($U = 0$), le courant est le courant de court-circuit $I_{cc} = E/r$ : il est limité seulement par $r$.

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Une pile réelle est modélisée par une force électromotrice $E = 4,5\ \text{V}$ en série avec une résistance interne $r = 1,5\ \Omega$. Elle débite un courant…

Une pile réelle est modélisée par une force électromotrice $E = 4,5\ \text{V}$ en série avec une résistance interne $r = 1,5\ \Omega$. Elle débite un courant $I = 0,30\ \text{A}$.

  1. a) Écrire la relation donnant la tension $U$ à ses bornes.
  2. b) Calculer $U$.
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Une source de tension a pour caractéristique $U = 9,0 - 2,0\,I$ ($U$ en V, $I$ en A). a) Identifier $E$ et $r$. b) Calculer le courant de court-circuit. c) Calculer la…

Une source de tension a pour caractéristique $U = 9,0 - 2,0\,I$ ($U$ en V, $I$ en A).

  1. a) Identifier $E$ et $r$.
  2. b) Calculer le courant de court-circuit.
  3. c) Calculer la puissance reçue par un conducteur ohmique de résistance $R = 2,0\ \Omega$ branché à cette source. On admet que cette puissance est la puissance maximale que peut recevoir un conducteur ohmique branché à cette source, car $R = r$.
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Puissance et effet Joule

La puissance reçue par un dipôle est $P = U\cdot I$ (en W). L'énergie transférée pendant $\Delta t$ est $\mathcal{E} = P\cdot\Delta t$ (en J ; en kWh pour la facture d'électricité, avec $\Delta t$ en heures).

Dans un conducteur ohmique de résistance $R$, la loi d'Ohm $U = R\,I$ donne :

La puissance varie comme $I^2$ : doubler le courant multiplie par 4 la chaleur dégagée. C'est utile dans une bouilloire, nuisible dans un câble.

On peut aussi relier chaleur et énergie électrique : pour chauffer une masse $m$ d'eau, $Q = m\,c_e\,\Delta\theta$ avec $c_e = 4{,}18\ \text{kJ·kg}^{-1}\text{·K}^{-1}$, et l'énergie électrique à fournir est $Q/\eta$ si le rendement est $\eta$.

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Un conducteur ohmique de résistance $R = 47\ \Omega$ est parcouru par un courant d'intensité $I = 0,20\ \text{A}$. a) Calculer la puissance dissipée par effet Joule. b)…

Un conducteur ohmique de résistance $R = 47\ \Omega$ est parcouru par un courant d'intensité $I = 0,20\ \text{A}$.

  1. a) Calculer la puissance dissipée par effet Joule.
  2. b) Calculer l'énergie dissipée en $10\ \text{min}$.
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Une bouilloire de puissance $P = 2\ 200\ \text{W}$ fonctionne sous $U = 230\ \text{V}$. a) Calculer l'intensité du courant et la résistance de la résistance chauffante.…

Une bouilloire de puissance $P = 2\ 200\ \text{W}$ fonctionne sous $U = 230\ \text{V}$.

  1. a) Calculer l'intensité du courant et la résistance de la résistance chauffante.
  2. b) Calculer l'énergie électrique consommée pour porter $1,0\ \text{L}$ d'eau de $20\ °\text{C}$ à $100\ °\text{C}$ si le rendement est de $85\ \%$ ($c_e = 4,18\ \text{kJ}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$).
  3. c) En déduire la durée de chauffe.
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Bilan de puissance et rendement

Multiplions $E = U + r\,I$ par $I$ :

$$E\,I = U\,I + r\,I^2$$

Puissance fournie par la source idéale = puissance délivrée au circuit + puissance perdue par effet Joule dans $r$.

Bilan de puissance d'une source réelle : la puissance E·I se partage entre la puissance utile U·I et les pertes r·I² E · I utile : U · I pertes : r · I²

Pour une chaîne de conversion (panneau → batterie…), les rendements se multiplient : $\eta_{\text{global}} = \eta_1\times\eta_2$.

Le rendement d'un convertisseur est toujours $\eta = P_{\text{utile}}/P_{\text{reçue}}$. Pour un panneau photovoltaïque, la puissance reçue est la puissance lumineuse : $P_{\text{reçue}} = \text{éclairement}\times S$.

Puissance reçue par un conducteur ohmique $R$ branché sur une source réelle $(E, r)$ : la loi des mailles donne $I = \dfrac{E}{r+R}$, puis $P_R = R\,I^2 = \dfrac{R\,E^2}{(r+R)^2}$.

Transport à haute tension

Pour une puissance $P = U\,I$ donnée, augmenter $U$ diminue $I$, donc les pertes $R_L I^2$ dans la ligne. À $10\ \text{MW}$, passer de $20\ \text{kV}$ à $400\ \text{kV}$ divise $I$ par 20 et les pertes par 400.

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Une batterie ($E = 12,6\ \text{V}$, $r = 0,050\ \Omega$) alimente un démarreur qui appelle $I = 150\ \text{A}$. a) Calculer la tension aux bornes de la batterie. b)…

Une batterie ($E = 12,6\ \text{V}$, $r = 0,050\ \Omega$) alimente un démarreur qui appelle $I = 150\ \text{A}$.

  1. a) Calculer la tension aux bornes de la batterie.
  2. b) Calculer la puissance fournie par la source, la puissance dissipée dans la résistance interne, et la puissance délivrée au démarreur.
  3. c) Calculer le rendement de la batterie.
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Une ligne de transport relie une centrale à une ville par deux fils de résistance totale $R_L = 5,0\ \Omega$. La ville consomme $P = 10\ \text{MW}$. a) Calculer…

Une ligne de transport relie une centrale à une ville par deux fils de résistance totale $R_L = 5,0\ \Omega$. La ville consomme $P = 10\ \text{MW}$.

  1. a) Calculer l'intensité dans la ligne si la tension aux bornes de la ville est $U = 20\ \text{kV}$, puis $U = 400\ \text{kV}$.
  2. b) Calculer, pour chaque cas, la puissance perdue par effet Joule dans la ligne.
  3. c) Justifier l'intérêt du transport à haute tension.
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Une pile ($E$, $r$) alimente successivement deux conducteurs ohmiques. Avec $R_1 = 10\ \Omega$, on mesure $U_1 = 4,0\ \text{V}$. Avec $R_2 = 4,0\ \Omega$, on mesure…

Une pile ($E$, $r$) alimente successivement deux conducteurs ohmiques. Avec $R_1 = 10\ \Omega$, on mesure $U_1 = 4,0\ \text{V}$. Avec $R_2 = 4,0\ \Omega$, on mesure $U_2 = 3,2\ \text{V}$.

  1. a) Déterminer les courants $I_1$ et $I_2$.
  2. b) En déduire $E$ et $r$.
  3. c) Calculer le rendement de la source dans chaque cas et commenter.
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Un panneau photovoltaïque de $S = 1,6\ \text{m}^2$ reçoit un éclairement de $800\ \text{W}\cdot\text{m}^{-2}$ et charge une batterie ($E = 12\ \text{V}$,…

Un panneau photovoltaïque de $S = 1,6\ \text{m}^2$ reçoit un éclairement de $800\ \text{W}\cdot\text{m}^{-2}$ et charge une batterie ($E = 12\ \text{V}$, $r = 0,20\ \Omega$) avec un courant $I = 13\ \text{A}$. La puissance électrique fournie par le panneau est $P_p = 190\ \text{W}$.

  1. a) Calculer le rendement de conversion du panneau.
  2. b) Calculer la puissance dissipée par effet Joule dans la batterie et la puissance stockée sous forme chimique.
  3. c) Établir le bilan de puissance de la chaîne et le rendement global lumière → énergie stockée.
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L'essentiel

  • Intensité : $I = Q/\Delta t$ ; $Q = N\,e$ avec $e = 1{,}60\times10^{-19}\ \text{C}$.

  • Source réelle : $U = E - r\,I$ ; court-circuit $I_{cc} = E/r$.

  • Puissance reçue : $P = U\,I$ ; énergie $\mathcal{E} = P\,\Delta t$.

  • Effet Joule dans un conducteur ohmique : $P_J = R\,I^2 = U^2/R$.

  • Bilan de la source : $E\,I = U\,I + r\,I^2$ ; rendement $\eta = P_{\text{utile}}/P_{\text{absorbée}} = U/E$.

  • Transport à haute tension : pour $P = U\,I$ fixée, $U$ plus grand donne $I$ plus faible, donc moins de pertes par effet Joule.

Vers le début : sous 400 kV, le courant est bien plus faible qu'à 20 kV pour la même puissance, donc la ligne perd beaucoup moins par effet Joule.

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