Rappels

Loi d'additivité des tensions : Dans une boucle de courant, la tension du générateur est égale à la somme des tensions des composants du circuit.

Ug = UAB + UBC

Lorsqu'on inverse les bornes COM et V du voltmètre, la tension change de signe on mesure

UBA= VB – VA

L'intensité dépend du sens de branchement de l'ampèremètre. On compte l'intensité comme positive dans le sens du + vers le – à l'extérieur du générateur.

Le sens conventionnel du courant est du + vers le –.

Loi des nœuds : Sur le nœud d'un circuit la somme des intensités entrantes dans le nœud est égale à la somme des intensités sortantes du nœud.

Le courant alternatif

Comment fonctionne un adaptateur secteur ? La plupart des adaptateurs secteur servent à transformer le courant alternatif venant de la prise en courant continu qui servira à alimenter les appareils électroniques.

L'électricité est un phénomène naturel qui a commencé a être étudié dès le 16 ème siècle.

L'arrivée du courant alternatif date de 1882 en France par l'invention de l'ingénieur Lucien Gaulard : le transformateur. Cela créa une véritable révolution dans l'industrie de distribution d'électricité. Comme le courant alternatif présentait plus d'avantages, il a rapidement remplacé le courant continu.

Un transformateur est un appareil censé modifier la tension et l'intensité d'un courant délivré par une source d'énergie alternative sans en changer la fréquence ou la forme.

Le courant alternatif correspond à un courant qui produit toujours de la même façon et ce sont les mêmes mécanismes qui entrent cause.

Afin de créer du courant alternatif, on utilise une turbine et un alternateur. C'est également ainsi qu'il est produit dans les centrales électriques. En voici le détail :

  1. Une turbine est mise en rotation par de l'eau ou de la pression comme de la vapeur d'eau ;
  2. La turbine entraîne alors l'axe du rotor de l'alternateur sur lequel sont encrés plusieurs électroaimants ;
  3. Le courant électrique alternatif est produit par les interactions entre les électroaimants du rotor et le fil de cuivre en bobines autour du stator.

On dit d'un courant électrique alternatif qu'il est périodique et sinusoïdal.

Périodique car sa tension change de sens de manière périodique en s'inversant constamment et sinusoïdal car la tension varie au cours du temps en décrivant une courbe sinusoïdale.

Intensité et différence de potentiel

Intensité I

Définition : Un courant électrique est dû par un déplacement de porteurs de charge :
Les électrons e- dans les métaux. Qe= - 1,6 10-19 C = -e (avec e charge élémentaire)
Les ions dans les solutions charges ηe

L'intensité du courant continu dans un conducteur est le débit de porteurs de charges traversant une section du conducteur par unité de temps.
C'est donc un nombre de Coulombs par m² et par seconde.

L'intensité d'un courant électrique correspond à une des nombreuses grandeurs mesurables au sein des circuits électriques. Cette mesure permet alors de connaître le débit des charges électriques à travers une section du circuit étudié. L'intensité du courant électrique possède comme unité l'ampère qui est noté A. Cette unité tient son nom du célèbre physicien français André-Marie Ampère qui travaillera longuement et produira de nombreux travaux en rapport avec l'électricité.

Le courant continu, noté CC en Français ou DC en Anglais, correspond a un courant électrique dont l'intensité reste indépendant du temps, on dit donc de celle-ci qu'elle est constante. C'est notamment le type de courant qui est délivré par les piles ou encore les accumulateurs.

On peut donc appeler courant continu tout courant périodique dont l'intensité reste toujours relativement proche de sa valeur moyenne ou encore un courant périodique dont la composante continue, c'est-à-dire sa valeur moyenne est d'importance primordiale. Il est également possible de nommer courant continu tout courant électrique qui circule de façon continue ou très majoritairement dans le même sens. On dit alors de ce courant qui est unidirectionnel.

L'intensité du courant électrique est la même dans tous les dipôles d'un circuit en série : c'est la loi d'unicité de l'intensité dans un circuit série.

Q : charge traversant la section par unité de surface en C , m-²

L'intensité se mesure avec un ampèremètre placé en série dans la boucle de courant concernée.

L'équation représentant l'intensité du courant électrique est du type suivant :

    \[ i \left( t \right) = i _ { 0 } \cdot sin \left( \omega \cdot t + \phi \right) \]

dans laquelle :

  • i0 correspond à amplitude du signal exprimée en ampères (A) ;
  • φ correspond au déphasage du signal, également appelé phase à l'origine et s'exprime en radians.

Loi des nœuds :
La loi des nœuds peut s'interpréter de la façon suivante : Chaque boucle de courant possède sa propre intensité qui ne dépend que du nombre de composants qu'elle contient. Le générateur du circuit doit fournir la somme des intensités nécessaires pour chaque boucle de courant.

Sens conventionnel du courant :
Le sens conventionnel du courant est par convention du plus vers le moins à l'extérieur du générateur. Il implique que l'intensité porte le signe positif lorsqu'elle est orientée dans le sens conventionnel et négatif dans le cas contraire.

Le courant continu

Le courant continu est un courant électrique dont la particularité est que son intensité reste la même au fil du temps, il s'agit d'une constante.

Comment indiquer la présence de courant alternatif ? Le courant continu indique sa présence par ce symbole, apposé sur les appareils qui l’utilisent ou le produisent.

On le retrouve également sous l'appellation CC ou DC pour "direct current" en anglais.

Production de courant continu

Il existe plusieurs dispositifs qui produisent du courant continu. On y retrouve communément des générateurs tels que :

  • Piles ;
  • Accumulateurs ;
  • Batteries ;
  • Panneaux solaires ;
  • Dynamos.

Quel courant est donné par une pile ? Les piles et batteries délivrent du courant continu aux bornes de leurs pôles.

Il faut savoir également que la majeure partie du courant continu que l'on retrouve dans les appareils électriques est issue de courant alternatif redressé par un redresseur.

Un seul nom pour plusieurs types de courant

Le courant continu se décompose en plusieurs courants aux caractéristiques bien particulières.

Le courant variable unidirectionnel : Il s'agit d'un courant dont le sens ne change pas mais dont l'amplitude varie au cours du temps.

Le courant constant ou courant parfaitement continu : C'est un courant dont l'amplitude et la direction restent constants au fil du temps.

Le courant ondulé lissé : Il s'agit d'un courant dont la direction reste constante mais dont l'amplitude peut être amenée à changer au cours du temps.

Taux et calculs sur le courant continu

Les taux permettent de calculer la qualité du courant continu. Un courant parfaitement constant aura un taux nul.

Soient :

I : Valeur efficace de i

Ia : valeur efficace de la composante alternative de i

< i > : Valeur moyenne de i

Δ (i) = imax - imin : Valeur crête à creux de l'intensité

On peut alors calculer les taux suivants :

Taux d'ondulation :

    \[ \frac {I_{a}} {I} \]

Taux d'ondulation efficace :

    \[ \frac {I _ {a} } {< i >} \]

Différence de potentiel U : Tension

Définition : On a vu que la tension électrique peut être considérée comme une différence entre deux états électriques appelés potentiel.
Elle se compare à l'énergie potentielle de pesanteur mécanique et comme elle, elle permet la mise en mouvement des porteurs de charge.
Pour un dipôle de bornes A et B, on note VA le potentiel en A et VB le potentiel en B. La différence de potentiel entre A et B est la tension UAB aux bornes du dipôle.
La tension est une grandeur algébrique donc :

UAB = VA -VB = - (VB – VA) = - UBA

Représentation : On représente un tension UAB par une flèche dont la pointe est sur le premier indice A. On mesure la tension électrique en Volt à l'aide d'un Voltmètre branché en dérivation.

Loi d'additivité des tensions :
Le générateur donne à chaque boucle de courant la même tension qui est partagée par les éléments des boucles.

La puissance électrique : P

Définition : Deux grandeurs sont nécessaires pour rendre compte de l'énergie fournie par un générateur ou reçue par un récepteur. La tension entre ses bornes et l'intensité qui la traverse. On appelle puissance électrique, le produit.

P = U I

Bilan d'énergies dans un récepteur

Définition

Un récepteur électrique reçoit de l'énergie électrique We et la convertit en une autre énergie utilisable.

Qu'est-ce qu'un récepteur ? Les antennes et paraboles sont des récepteurs. Leur rôle est de récupérer les ondes électromagnétiques et de les transformer en signal numérique.

Énergie dans un récepteur

En convention récepteur, la tension aux bornes d'un appareil est celle dont la flèche est orientée en sens inverse du courant qui la traverse. Le courant descend les potentiels.

L'énergie électrique reçue par le générateur se calcule à partir de sa puissance et de la durée de son fonctionnement Δt en secondes.

We = P Δt
We = U I Δt

Remarque :
La puissance d'un récepteur permet d'évaluer la rapidité avec laquelle il convertit l'énergie.

Effet Joule

Le passage du courant dans un conducteur est pratiquement toujours accompagné d'un échauffement dû à la résistance R de ce conducteur. La chaleur ainsi obtenue provient de la conversion de l'énergie électrique We en énergie thermique Q = WJ.
Cet effet de courant électrique dans ce conducteur se nomme Effet Joule/ il se calcule de la façon suivante :

PJ = R I²
PJ = U² / R

L'effet Joule est parfois recherché (par le chauffage) mais souvent est indésirable et constitue des pertes énergétiques.

Bilan d'énergie dans un générateur

Définition

Un générateur est un composant électrique qui convertit une énergie quelconque en énergie électrique.

Bilan d'énergie en générateur

Générateur idéal → Pas de résistance interne


Il a un force électromotrice E.
P = E I
We = E I Δt

Générateur non idéal

Le bilan d'énergie est UPN = E – RI
P = EI – RI²
We = EIΔt – RI²Δt
EIΔt = Énergie convertie
RI²Δt = Pertes thermiques (Joules)

Bilan d'énergie en récepteur

Comportement global d'un circuit

Transfert d'énergie

D'après le premier principe de thermodynamique, toute l'énergie produite par un générateur doit se retrouver dans l'énergie convertie des récepteurs.

La conservation de l'énergie a pour conséquence la loi d'additivité des tensions dans les circuits en série.

La loi des nœuds est aussi la conséquence de la conservation de l'énergie électrique.

Courants de Foucault

Les courants de Foucault sont des courants électriques qui se trouvent au centre d'une masse conductrice. Ces courants sont provoqués par la variation de champ magnétique extérieur qui traversent la masse ou par le déplacement de cette dernière au sein du champ.

Ces phénomènes physiques sont notés ainsi du nom de Jean Bernard Léon Foucault. Ce physicien d'origine française, a vécu de 1819 à 1868. Récompensé par de nombreuses distinctions, c'est à lui que l'on doit l'invention du gyroscope. Il a aussi démontré que la Terre tourne sur elle même grâce au pendule de Foucault. Passionné d'astronomie, c'est aussi un domaine dans lequel il a beaucoup travaillé.

Lorsqu'une masse conductrice est introduite dans un champ magnétique, une force électromotrice apparaît. C'est elle qui est à l'origine des courants dans la masse. Il se produit alors deux effets : la création d'un champ magnétique en opposition à la cause de variation du champ extérieur, ce qui est décrit par la loi de Lenz, et un échauffement, causé par l'effet Joule de la masse conductrice. Cet échauffement augmente plus la vitesse entre l'inducteur et la pièce conductrice est élevée.

Ces deux effets causent alors de forces de Laplace qui s'opposent au déplacement de l'énergie.

Les forces de Laplace sont des forces en électromagnétique qui sont exercées par un champ magnétique sur un conducteur traversé par un courant.

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Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.

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