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Systèmes électriques - bilans énergétiques

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

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

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

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

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

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

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

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

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

3.1 Caractéristique

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

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

4.1 Caractéristique

La loi d'ohm s'écrit :

E' est la force contre-électromotrice, R est la résistance.

4.2 Puissance reçue du reste du circuit


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

5.1 Caractéristique

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

La loi d'ohm s'écrit :

5.2 Puissance reçue du reste du circuit


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

6.1 Définition

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

Puissance utilisée EI' RI²-EI
Puissance totale transférée E'I+RI² EI
Rendement h < 1
Dipôle Récepteur Générateur

7 Bilan énergétique d'un circuit


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

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