Energie électrique
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MathsPhysiC

Troisième : Eléctricité 


·                      A-La production de l’électricité dans les centrales


Activités : Travaux pratiques

 

I-L’aternateur de bicyclette

 

    1-Observations

Pour allumer les lampes d’une bicyclette, on met le galet de l’alternateur (souvent appelé improprement « dynamo ») en contact avec l’une des roues qui doit tourner car, à l’arrêt, l’alternateur ne fournit aucune énergie électrique : le mouvement d’une partie de l’alternateur est indispensable à son fonctionnement.

 

   2-L’alternateur

 

   3-L’alternateur est un générateur

 

II-La production de courant alternatif

  

    1-L’aimant et la bobine

 

Branchons le votmètre à zéro centrale aux extrémités d’une bobine* et approchons rapidement de celle-ci l’un des pôles d’un aimant droit : une dérivation passagère de l’aiguille du votmètre se produit.

Le mouvement de l’aimant provoque l’apparition d’une tension électrique brève entre les extrémités de la bobine.

La déviation de l’aiguille du voltmètre dépend du pôle d’aimant utilisé – Nord ou Sud – et de son

mouvement vis-à-vis de la bobine – approche ou éloignement.

 

III-Conversions de l’énergie dans les centrales électriques

  

 

·                      B-Tension continue et tension alternative

 

Activités : Travaux pratiques

 

I-La tension continue

  

   1-Expériences

Un circuit est composé d’une pile reliée à un voltmètre branché entre ses bornes, d’un interrupteur et de deux DEL en dérivation protégées par une résistance et montées en sens inverse.

Fermons le circuit : la DEL 1, branchée dans le sens passant, brille tandis que la DEL 2, branchée en sens inverse, reste éteinte.

Le voltmètre indique une valeur constante U = 4.45 V.

Inversons les bornes de la pile : c’est la DEL 2 qui brille, la DEL 1 est éteinte et le voltmètre indique U = -4.45 V.

 

Tout a été inversé par rapport à la situation précédente.

   2-La tension continue

La pile impose un sens au courant électrique grâce à la tension continue qu’elle délivre.

 

II-La tention alternative

  

   1-Expérience

Dans le circuit précédent, remplaçons la pile par un générateur Très Basse Fréquence, noté générateur TBF :

-les DEL 1 et 2 s’allument alternativement ;

-la tension relevée par le voltmètre prend des valeurs variables dans le temps, alternativement positives et négatives.

 

   2-Le générateur TBF

Dans le circuit, le courant électrique change régulièrement de sens comme si on y branchait une pile tantôt dans un sens tantôt dans l’autre.

 

III-La tention délivrée par un générateur TBF

  

   1-Expérience

Le tableau ci-contre contient les valeurs de la tension aux bornes du générateur TBF utilisé en fonction du temps.

 

   2-Le graphique

Pour tracer ce graphe, graduons l’axe des abscisses en secondes (s) et l’axe des ordonnées en volts (V).

La tension aux bornes du générateur TBF est :

 

IV-Caractéristiques d’une tention alternative

  

   1-La période

Le graphe précédent est formé de la répétition d’un « motif élémentaire » qui se reproduit identique à lui-même tout au long de la courbe : la tension est dite périodique. La durée de ce motif représente la période T de la tension alternative sinusoïdale délivrée par le générateur.

Dans notre exemple, la période T de la tension vaut 50 s.

 

   2-Tension maximale et minimale

Ce même graphe montre que la tension alternative varie entre deux valeurs extrêmes, l’une positive notée Umax, l’autre négative notée Umin  telle que Umin = - Umax. Ici, Umax = 3 V et Umin = - 3 V = - Umax.

Un générateur TBF peut délivrer d’autres formes de tensions alternatives périodiques.

 

 

Activités : Travaux pratiques

 

Le courant alternatif

I-Tension continue

Réglages :

Tension : adaptée à la lampe

Forme : =

 

Réaliser le montage ci-contre.

Observer le fonctionnement des D.E.L

Questions.

Une diode agit-elle sur le passage du courant ? Comment ?

Décrire le fonctionnement des ces D.E.L.

Conclure en expliquant comment se déplace le courant quand la tension est continue.

           

II-Tension alternative

Réglages :

Fréquence : 10-1 Hz.

Réaliser le montage ci-contre.

Régler la fréquence du générateur à 10-1 Hz et son signal sur » (alternatif).

Observer le fonctionnement des D.E.L.

Questions.

Décrire le fonctionnement des ces D.E.L.

Conclure en expliquant comment se déplace le courant quand la tension est alternative.

           

           

III-Mesure de la tension

Réglages :

Fréquence : 10-2 Hz

Voltmètre en continu.

Réaliser le montage ci-contre.

pour mesurer le tension à intervalles de temps égaux.

Méthode :

le responsable du chronomètre donne le top toute les 10 secondes,

le responsable du voltmètre note dans le tableau la tension (avec le signe) à chaque top.

 

 

·                      C-L’oscilloscope

 

Activités : Travaux pratiques

 

I-Observation d’une tention continue

 

   1-Utilisation de l’oscilloscope sans balayage

Réglons l’oscilloscope de manière à obtenir un point lumineux, appelé spot, au centre de l’écran.

Fixons la sensibilité verticale S à 2 volts par division, notée S = 2V/div et relions un générateur de tension continue variable aux bornes d’entrée de l’oscilloscope .

Faisons varier la tension : le spot dévie proportionnellement à le tension délivrée par le générateur, le facteur de proportionnalité étant S comme le montre le tableau ci-dessous.

 

Tension du générateur U (V)

0

2

4

6

Déviation du spot Y (div)

 

 

 

 

Quotient U/Y

 

 

 

 

 

   2-Utilisation de l’oscilloscope avec balayage

Gardons S = 2 V/div et U = 6 V et actionnons maintenant la « base de temps », c’est-à-dire la commande qui provoque le balayage horizontal du spot sur l’écran. La durée de balayage θ est le temps mis par le spot pour parcourir une division horizontale de l’écran gradué. Cette durée est réglable et s’exprime en secondes ou millisecondes ou même en microsecondes par division (s/div, ms/div, µs/div ; 1ms = 10-³s, 1µs = 10-6 s).

-Si θ = 0.5 s/div, le spot se déplace horizontalement et lentement, traversant l’écran de largeur 10 divisions en 5 s à Y = 3 divisions au-dessus de l’axe centrale puisque U = 6 V.

-Si θ = 5 ms/div, le spot met 50 ms pour traverser l’écran et on observe alors une ligne continue horizontale : cela constitue l’oscillogramme de la tension U.

 

II-Observation d’une tension sinusïdale

  

   1-Utilisation de l’oscilloscope sans balayage

Branchons un générateur de tension alternative sinusoïdale 12 V aux bornes de l’oscilloscope sans balayage.

 

   2-Utilisation de l’oscilloscope avec balayage

Enclonchons le balayage de l’oscilloscope : le spot effectue alors deux mouvements simultanés :

 

   3-La tention maximale

Le nombre de divisions correspondant à la déviation maximale du spot au-dessus de la ligne horizontale centrale est Ymax = 3.4 divisions.

La sensibilité verticale étant ici réglée sur 5 V/div, la valeur maximale de la tension sinusoïdale est donc Umax = 5 X 3.4 = 17 V.

Toutes les valeurs prises par cette tension alternative sinusoïdale sont comprises entre Umin = - 17 V et Umax = 17 V.

 

III-La période d’ une tention sinusoïdale

    

   Observations

Repérons sur l’écran de l’oscilloscope un « motif élémentaire » et comptons sur l’axe horizontal le nombre X de divisions correspondant à sa période : X = 4 divisions.

La durée de balayage θ = 5 ms/div = 5.10-3 s/div.

La valeur de la période T de la tension s’obtient par le produit des grandeurs X et θ.

               T = 4 X 5.10-3 = 20.10-3 s soit 20 ms.

L’oscilloscope permet de mesurer des temps très courts, descendant jusqu’à la microseconde (1µs = 10-6 s).

 

IV-La fréquence d’une tension sinusoïdale

 

 1-Définition

La fréquence f d’un phénomène périodique ..................................... qu’il se reproduit identique . ........................... par seconde. C’est donc le nombre de .................. en une seconde.

 

   2-Mesure de la fréquence

La fréquence d’une tension sinusoïdale se mesure avec un multimètre utilisé en fréquencemètre.

ci-dessous figurent quelques exemples de fréquences.

 

Tension du secteur en France

50 Hz

Ondes Radio AM

30 kHz à 30 MHz

Télévision UHF

300 MHz à 3 GHz

Microprocesseur d’ordinateur

4 GHz

 

   3-Relation entre la fréquence et la période

Utilisons un générateur TBF dont on peut faire varier la fréquence f de la tension sinusoïdale qu’il délivre.

Branchons en dérivation à ses bornes un oscilloscope. Faisons varier la fréquence de la tension délivrée, notons cette fréquence et mesurons, grâce à l’oscilloscope, la période T de la tension.

Les résultats obtenus sont reportés dans le tableau ci-dessous où figure également le produit f.T .

 

F (Hz)

50

100

200

500

T (s)

 

 

 

 

f.T

 

 

 

 

 

Le produit f.T est toujours égal à 1 si la fréquence f est exprimée en hertz (Hz) et la période en seconde (s).

Cela peut aussi se traduire par la relation f = 1/T.

La fréquence f du secteur en France valant 50 Hz, la période de la tension sinusoïdale délivrée par le secteur vaut :

                            T = 1/f, soit T = 1/50 s = 0.02 s = 20 ms,

 

 

Activités : Travaux pratiques

 

ETUDE D’UNE TENSION VARIABLE A L’AIDE D’UN OSCILLOSCOPE

 

I.  Observons la tension délivrée par le GTBF

 

Sans balayage

 

Réglages :

ØVérifiez que la touche XY est enfoncée.

Ø Réglez le spot au centre de l’écran.

Ø Branchez le GTBF à la voie B de l’oscilloscope.

a) Observez puis décrivez le mouvement du spot par rapport au centre de l’écran

………………………………………………………………………………………………………………….

b) Sur quel axe se déplace le spot ? En quelles unités est gradué cet axe ?

………………………………………………………………………………………………………………….

c) Comment varient les valeurs prises par la tension ?

………………………………………………………………………………………………………………..

d) Tournez le bouton de fréquence progressivement tout en observant l’écran. Qu’observez-vous ?

………………………………………………………………………………………………………………..

e) Dessinez puis décrivez ce que vous observez lorsque le bouton est réglé sur la valeur maximum.

 

Repérez en couleur sur l’oscillogramme l’origine de l’axe et les valeurs extrêmes de la tension

Notez le réglage de la sensibilité verticale : …………………………………..

Calculez les valeurs extrêmes de la tension.

+ Umax = ……......….. ;   - Umax = …….....…................ ;     - ….…...…≤  U  ≤ + ……………..

 

Avec balayage

 

a) Enfoncez la touche YB de l’oscilloscope et augmentez progressivement la vitesse de balayage

jusqu’à obtenir une courbe occupant tout l’écran.

b) Comment s’appelle la courbe observée ?

…….………………………………………………………………………….

c) Dessinez cette courbe

d) Est-ce une tension alternative ? Justifiez.

…….………………………………………………………………………….

…….………………………………………………………………………….

 

II. Faisons l’étude de la tension délivrée par le générateur du collège.

 

1. Réglages et branchement

 

Balayage : 5 ms/div.

Sensibilité verticale de la voie B : 5 V/div.

Branchez le générateur 12V ~ aux bornes de la voie B 

2. Dessinez l’oscillogramme

 

Observez cet oscillogramme et comparez son allure avec la courbe obtenue précédemment.

………………………………………………………………………….

……………………………………………………………………………………………………………….………………………………………….

b) Calculez la valeur maximale de la tension ainsi que sa période

Umax = ……….… ´  ………… =  …………….             T = ………… ´  ………… =  …………….

 

3. Calcul de la fréquence

 

Il existe une 3ème grandeur qui permet de caractériser une tension périodique appelée fréquence. Celle-ci correspond au nombre de motifs élémentaires qui se répètent en 1 seconde dans la courbe. Elle s’exprime en hertz, de symbole Hz et se calcule à l’aide de la formule suivante :       f (Hz) =

a) Calculez la fréquence f de cette tension

……………………………………………………………………………………………………………….

b) Déduisez-en le nombre de motifs élémentaires qui se répètent en une seconde dans la courbe

……………………………………………………………………………………………………………….

c) Faites de même avec la courbe précédente (I.2). Comparer les deux fréquences.

……………………………………………………………………………………………………………….

4. Mesure de la tension efficace


a) Débranchez l’oscilloscope et reliez les bornes du générateur 12 V ~  à celles d’un voltmètre en position AC (calibre 20 V)

b) Faites la mesure. Que constatez-vous ?

……………………………………………………………………………………………………………….

Cette valeur est appelée valeur efficace Ueff de la tension alternative.

 

Définition : La valeur efficace d’une tension alternative est …………………………….………………. ……………….……………….……………………...……………….……………….……………………...

 

c) Complétez le tableau suivant :

G

Umax

Ueff

 

6 V ~

8,5

6,02

 

12 V ~

 

 

 

Tension du secteur

 

230

1,4

 

- Que peut-on dire des deux grandeurs Umax et Ueff ?
……………………………………………………………………………………………………………….

- Déduisez une formule qui lie Umax et Ueff 

 

III. Conclusion générale

 

- Une tension alternative est caractérisée par …… grandeurs que l’on peut déterminer avec un ………………….. :

  · la tension …………………………… en volts

  · la ………………………….. en secondes

- Deux autres grandeurs importantes qui dépendent des deux précédentes  peuvent être mesurées  ou bien calculées : 

  · la …………………………………. en Hz

  · la …………………………………….en volts

 

 

·                      D-Le voltmètre et la tention sinusoïdale

 

Activités : Travaux pratiques

 

I-Le générateur de tension alternative

  

1-Allumage d’une lampe

 

- Branchons une lampe « 6 V – 0.1 A » aux bornes d’un générateur de tension continue 6 V, notée 6 V =.

Un luxmètre* placé à proximité de la lampe mesure son éclairement : il indique 390 lux.

- Branchons cette même lampe aux bornes d’un générateur de tension alternative 6 V, notée 6 V ~.

La lampe éclaire de la même façon que précédemment comme l’indique le luxmètre placé dans les mêmes conditions. 

  

2-Définition de la tension efficace

 

Visualisons à l’oscilloscope, réglé sur la sensibilité verticale S = 5V/div, la tension délivrée par le générateur de tension continue 6 V : on observe une ligne horizontale indiquant que la valeur de la tension ne varie pas au cours du temps.

Sans changer les réglages de l’oscilloscope, branchons-le aux bornes du générateur de tension alternative 6 V.

La sinusoïde observée dépasse fortement, à son maximum, la valeur 6 V alors que l’éclat de la lampe est resté le même dans les deux expériences d’allumage précédentes ! la valeur  « 6 V » représente la valeur efficace de la tension alternative utilisée car elle produit le même effet thermique dans la lampe qu’une tension continue de valeur 6 V.

 

II-Valeur maximale et efficace d'une tension sinusoïdale

 

1-Mesure de la tension maximale

 

Mesurons, grâce à l’oscilloscope, la valeur maximale Umax de la tension sinusoïdale délivrée par un générateur. La relation Umax = S.Ymax nous donne ici Umax = 8.5V.

 

2-Mesure de la tension efficace

 

Branchons un voltmètre réglé en alternatif aux bornes du générateur précédent.

Il indique une valeur constante, qui reste identique même si on inverse le branchement.

C’est la valeur efficace, notée U, de la tension sinusoïdale : ici u = 6V.

 

3-Relation entre la valeur efficace et maximale

 

Mesurons les valeurs maximales umax et efficaces U de diverses tensions sinusoïdales.

Les résultats sont récapitulés dans le tableau ci-dessous dans lequel figurent les quotients Umax/U.

 

Umax (V)

 

 

 

 

 

U (V)

 

 

 

 

 

Umax/U

 

 

 

 

 

 

Les quotients Umax/U sont identiques aux incertitudes de mesures près : Umax et U sont des grandeurs proportionelles.

On peut écrire Umax = A.U avec A =

Des mesures plus précises montrent que A =

 

4-Tention efficace du secteur

 

La tension efficace du secteur apparaît toujours sur les plaques signalétiques des appareils domestiques à brancher sur le secteur : elle vaut 230V.

On en déduit : Umax = 230×√2 = 325V : la tension aux bornes d’une prise de courant varie entre -325V et +325V.

 

 

·                      E-La puissance électrique

 

Activités : Document

 

I-La puissance électrique

 

IV-L’installation domestique

 

1-Observations

 

Dans une installation domestique, les appareils sont tous branchés en dérivation et fonctionnent sous la même tension nominale U = 230V.

Pour la fréquence du secteur (50Hz), les intensités des courants obéissent encore à la loi d’additivité.

La puissance fournie à l’installation est P = U.I.

La puissance absorbée par l’appareil « 1 » est P1 = U.I1, pâr l’appareil « 2 », P2= U.I2, etc.

En utilisant la relation I = I1+I2+…, la puissance fournie par le réseau peut donc s’écrire :

P=U.I = U.(I1+I2+…) = U.I1+U.I2+… = P1+P2+…

Un abonné au réseau de distribution doit prévoir son abonnement en fonction de la somme des puissances des appareils susceptibles de fonctionner ensemble.

 

Voici quelques exemples de puissances nominales d’appareils fonctionnant sous 230V, 50Hz.

Appareil

Lampe

Téléviseur

Fer à vapeur

Puissance

10 à 500W

50 à 300W

2000W

Appareil

Four

Radiateur

Chauffe-eau

Puissance

2 à 3.5 kW

0.5 à 2kW

2 à 3kW

 

   2-Conclusion

 

 

 

·                      F-L’ énergie électriques

  

Activités: Document et Travaux pratiques

 

PUISSANCE ET ENERGIE ELECTRIQUES

 

Objectifs : - Connaître quelques ordres de grandeurs de puissances électriques

                 -  Evaluer l 'intensité efficace traversant un appareil alimenté par le secteur connaissant

                     sa puissance nominale

                  - Savoir calculer l ' énergie électrique consommée par un appareil     

                  - Savoir lire une facture EDF

Durée :       2 h

Matériels : - Un générateur 6V

                  - Deux lampes : ( 6V - 0,6W) et ( 6V- 1,8 W)

                  - Une facture EDF

 

I. Transformation d' énergie :

Les appareils électriques reçoivent de l'énergie électrique et la transforment sous une ou plusieurs   autres formes d' énergie: énergie thermique ou chaleur, énergie rayonnante ou lumière, énergie mécanique ou mouvement …

Exemples :

Appareils

Reception d ' energie

Transformation en energies

Lampes

 

 

Machine à laver

 

 

Fer à repasser

 

 

 

Que remarquez - vous ?...................................................................................................

Conclusion  : Pour les appareils électriques , une partie ou toute l ' énergie qu 'ils consomment est toujours transformée en ………………..  , c 'est l 'effet  …………….

 

II. LA PUISSANCE ELECTRIQUE :

1. Observations :

Sur les appareils électriques, il y a une plaque signalétique qui précise les conditions de fonctionnement normal de l ' appareil.

Quelques exemples :

Complétez le tableau suivant d' après la recherche faite à la maison et avec l 'aide du professeur :

 

NOM DE L 'APPAREIL

VALEURS LUES SUR LA PLAQUE SIGNALETIQUE

Fer à repasser

 

Sèche-cheveux

 

Cafetière

 

Lampe

 

Moteur TGV

 

 

2. Que signifient les valeurs lues sur la plaque signalétique d ' un appareil ?

¨ On trouve une valeur en ........................... , c' est la ..................................... de l 'appareil, c' est à dire la ............................ sous laquelle on doit le brancher pour qu 'il fonctionne normalement .

¨ On trouve aussi une valeur  en ................... , c' est la  ....................................... reçue par l ' appareil en

    fonctionnement normal.

¨ On trouve aussi une troisième valeur en ...................... , c' est la ……………………………………….

3. Unités de puissance et ordres de grandeurs:

La puissance électrique se mesure en Watt ( W ). On utilise aussi :

Les multiples :

Le kilowatt ( kW )   ;  1kW =  ……………. W

Le Mégawatt (MW )  ;  1 MW =……………………..W

Les sous- multiples :

Le milliwatt ( mW )  ;  1mW =………………… W

 

4. De quoi dépend la puissance électrique ?

Réalisez le montage suivant :

G

 

A

 

V

 

C

 

B

                                                                                

Placez une des 2 lampes  6V entre B et C.

Le générateur a une tension de 6V 

Mesurez :

I = ……………. A

U = …………… V

Calculez :     U x I = ............................

Concluez : ………………………………………………………………

Donc la formule de la puissance reçue par un appareil est :

                                   P = ............... x ...............

                                ( W )      (V )             (A)

Remarque : En courant alternatif , cette formule n 'est valable que pour les appareils à effet thermique

(  radiateur électrique par exemple)

 

5. Comment savoir quel fusible choisir pour protéger un circuit ?

¨ D 'après la formule précédente ,trouvez l 'expression de  I eff          

            I eff  = ......................   

¨ Application : Peut-on brancher un fer à repasser de puissance 1000W sur une prise protégée par

un fusible 5A ?

………………………………………………………………………………………

 

III. L' ENERGIE  ELECTRIQUE

 

1. Comment faire des économies d 'énergie ?

………………………………………………………………………………………

2. De quoi dépend l 'énergie que nous consommons ?

………………………………………………………………………………………

3. Définition de l 'énergie :

L' Energie électrique E transformée par un appareil est égale au produit de la puissance P de cet appareil par la durée t de son fonctionnement.

LA formule de l'énergie est donc :   E =  P  x  t

 

4.Unités :

 

UNITES

PUISSANCE

DUREE

ENERGIE

Système International

 

 

 

usuelles

 

 

 

 

Remarque : D' après la formule  E = P x t , on en déduit   P = E / t

 

La puissance consommée par un appareil correspond donc à l'énergie que cet appareil transforme chaque seconde.

 

5. Applications :

Calculez en Wattheure puis en kiloWattheure  l' énergie consommée par une lampe de puissance 100W en 2 heures :

……………………………………………………………………………………………

c)  Calculez en Wattheure puis en kiloWattheure l' énergie consommée par un radio-réveil de puissance 5W resté en veille pendant 365 jours :

………………………………………………………………………………………

La plaque signalétique d ' un  radiateur électrique a été enlevée . Comment retrouver sa puissance en kiloWatt   sachant qu 'il a consommé 4 kWh  pendant 5 heures :

………………………………………………………………………………………

 

 
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