Porteurs de charges et courant électrique
1./ Porteurs de charge :
Un porteur de charge est une entité portant une charge électrique non nulle. La charge électrique se mesure en coulombs (C), et peut être positive ou négative.
La plus petite charge électrique positive possible est appelée la charge électrique élémentaire et est notée \( e \) = 1,602 × 10-19 C.
Tout porteur de charge a une charge électrique multiple de la charge électrique élémentaire. Par exemple : \( q_{proton}=+e \) et \( q_{électron}=-e \).
2./ Courant électrique :
Un déplacement d'ensemble de porteurs de charge engendre un courant électrique. La nature de ces porteurs de charge dépend du milieu conducteur considéré. Dans un métal, ce sont des électrons libres, dans une solution aqueuse, ce sont des ions. On définit l'intensité du courant électrique I comme étant la quantité de charge électrique qui circule en un point du milieu conducteur en un temps donné . On peut donc imaginer l'intensité du courant électrique comme étant un débit de charge électrique.
\( I=\frac{Q}{\Delta t} \)
\( I \) est l'intensité du courant électrique (en A), \( Q \) est la charge électrique (en C), \( \Delta t \) est l'intervalle de temps (en s).
Ordres de grandeur d'intensités électriques :
- Chargeur de téléphone portable : 20 mA
- Fer à repasser : de 3 à 6 A
- Radiateur électrique : de 5 à 15 A
- Moteur de machine-outil : de 10 à 20 A
- Locomotive de TGV : environ 400 A
Exemple : soit un fil électrique parcourue par un courant \( I \) = 1 A. Pendant un temps \( \Delta t \) = 1 s, la charge électrique circulant dans ce fil est : \( Q=I\times \Delta t \) = 1 C.
Sachant que la charge d'un électron est, en valeur absolue, égale à \( e \), le nombre d'électrons qui circule dans une section du fil pendant une seconde est égal à : \( N_{e^{-}}=\frac{Q}{e} \) = 6,25 × 1018 pour une intensité de 1 A !
Remarque :le sens conventionnel du courant a été fixé comme allant de la borne positive à la borne négative. C'est donc dans ce sens là que nous tracerons les flèches indiquant le déplacement du courant. Il faut cependant se rappeler que dans un matériau conducteur, tel qu'un fil de cuivre, les porteurs de charge sont des électrons, négatifs, se déplaçant dans le sens inverse du sens conventionnel, c'est-à-dire de la borne négative à la borne positive :
Dans une solution ionique, comme une solution de sulfate de cuivre, par exemple, le courant électrique est dû au déplacement des ions : les cations, positifs, se déplacent dans le sens conventionnel, de la borne positive à la borne négative, et les anions, négatifs, se déplacent dans le sens inverse du sens conventionnel, de la borne négative à la borne positive :
3./ Dipôles et conventions d'orientation du courant :
Un dipôle est un dispositif électrique à deux bornes. Il existe deux types de dipôles : les générateurs, ou dipôles actifs, et les récepteurs, ou dipôles passifs.
- Un générateur est un dipôle qui fournit de l'énergie électrique au circuit. La tension à ses bornes est non nulle quand il est débranché du reste du circuit. Exemples : pile, accumulateur, cellule photovoltaïque, etc...
- Un récepteur est un dipôle qui convertit l'énergie électrique qu'il reçoit en une autre forme d'énergie : lumineuse, mécanique, thermique, etc... La tension à ses bornes est nulle quand il est débranché du reste du circuit. Exemples : résistance, diode, lampe, etc...
Dans un schéma, quand on représente un générateur, on oriente dans le même sens la tension à ses bornes et le courant qui le traverse : il s'agit de la convention générateur. Quand on représente un récepteur, on oriente en sens inverse la tension à ses bornes et le courant qui le traverse : c'est la convention récepteur :
Plus d'informations sur la page "Signaux et Capteurs" du cours de seconde.
Puissance et énergie électrique
1./ Puissance électrique d'un dipôle :
L'énergie électrique peut être convertie en d'autres formes d'énergie. Plus cette conversion est rapide, plus la puissance mise en jeu est grande. On définit la puissance électrique d'un dipôle \( P \) par la formule suivante :
\( P=U\times I \)
Où : \( P \) est la puissance électrique (en W), \( U \) la tension aux bornes du dipôle (en V) et \( I \) l'intensité du courant qui le traverse (en A).
Si les conventions générateur et récepteur sont respectées, alors \( P \) est un nombre positif. Si le dipôle est un générateur, cette puissance est la puissance électrique fournie par celui-ci au reste du circuit. Si le dipôle est un récepteur, cette puissance est la puissance électrique consommée par le dipôle.
Ordres de grandeur de puissances électriques :
- Montre à quartz : 1 µW
- Ampoule LED : 5 W
- Radiateur électrique : de 1000 à 3000 W
- Locomotive de TGV : environ 8800 kW
- Centrale nucléaire du Blayais : environ 3600 MW
2./ Lien entre puissance et énergie :
Si un appareil de puissance électrique \( P \) fonctionne pendant un temps \( \Delta t \), l'énergie mise en jeu est égale à :
\( E=P\times \Delta t \)
Où : \( E \) est l'énergie (en J), \( P \) est la puissance électrique (en W), et \( \Delta t \) la durée de fonctionnement (en s).
3./ Effet Joule :
Si le dipôle est un dipôle ohmique (ou résistor, ou conducteur ohmique, ou plus simplement résistance), il existe une relation entre la valeur de l'intensité qui traverse le dipôle et la tension à ses bornes : c'est la loi d'Ohm :
\( U=R\times I \)
Où : \( U \) est la tension (en V), \( R \) est la résistance (en Ω), et \( I \) l'intensité du courant qui le traverse (en A).
Comme : \( P=U\times I \)
On peut écrire :
\( P=R\times I^{2} \)
Où : \( P \) est la puissance (en W), \( R \) est la résistance (en Ω), et \( I \) l'intensité du courant qui le traverse (en A).
Cette puissance électrique reçue par le dipôle ohmique est entièrement dissipée sous forme d'énergie thermique : ce phénomène est nommé l'effet Joule.
Cet effet explique le fait que tout appareil électrique en fonctionnement chauffe. Dans certains cas, une intensité trop grande dans un conducteur peut provoquer un échauffement suffisant pour provoquer un incendie.
Générateurs de tension
1./ Générateur idéal de tension :
Un générateur idéal de tension est un dipôle qui a une tension constante à ses bornes. Cette tension ne dépend pas, notamment, de l'intensité du courant fourni par ce générateur. Cette tension est appelée force électromotrice (ou f.é.m.) du générateur, et on la note \( E \). On représente un générateur de tension idéal de la façon suivante :
2./ Générateur réel de tension :
En réalité, la tension aux bornes d'un générateur réel diminue quand la valeur de l'intensité fournie augmente.
On peut modéliser un générateur réel de tension par un générateur idéal de tension (de f.é.m. \( E \)) et d'un dipôle ohmique (de résistance \( r \)) :
La résistance \( r \) est appelée résistance interne du générateur.
On a alors :
\( U_{g}=E-r\times I \)
Où : \( U_{g} \) est la tension aux bornes du générateur réel de tension (en V), \( E \) est la f.é.m du générateur idéal de tension (en V), \( r \) est la résistance interne du générateur (en Ω), et \( I \) l'intensité du courant qui le traverse (en A).
Si on compare les tensions de sortie des deux types de générateurs, voilà ce qu'on obtient :
Cette résistance interne des générateurs réels peut poser des problèmes, car si un appareil demande un courant d'une intensité trop grande, la tension peut ne plus être suffisante pour le faire fonctionner.
Un deuxième inconvénient de la résistance interne est que cette dernière va dissiper de l'énergie thermique à cause de l'effet Joule : plus un générateur de tension fournit un courant d'intensité importante, plus il chauffe.
Convertisseurs et rendement
Nous avons vu que les récepteurs recevaient de l'énergie électrique et la convertissaient en une autre forme d'énergie. Il agissent comme des convertisseurs d'énergie. Cette conversion n'est jamais totale et il y a des pertes : l'énergie récupérée à la sortie du convertisseur est toujours plus petite que l'énergie électrique qu'on lui a fournie. On peut caractériser la qualité de la conversion par son rendement, noté \( \eta \) (lettre grecque êta) :
\( \eta=\frac{P_{utile}}{P_{fournie}} \)
Avec : \( P_{utile} \) la puissance utile, récupérée à la sortie du convertisseur (en W) et \( P_{fournie} \) la puissance fournie au convertisseur (en W).
Le rendement \( \eta \) est un nombre sans dimension compris entre 0 et 1. On peut l'obtenir exprimé en pourcentage en le multipliant simplement par 100.
On peut aussi facilement démontrer que le rendement peut se calculer à partir des énergies plutôt que des puissances : \( \eta=\frac{E_{utile}}{E_{fournie}} \)
Attention : il est impossible d'avoir un rendement supérieur à 1 (on parle de convertisseur surunitaire), car l'énergie totale se conserve, et un système ne peut donc pas fournir plus d'énergie que ce qu'il reçoit : le mouvement perpétuel est donc impossible !
