Fiche de physique - chimie

Ile physique - chimie > physique 1^ère > Energie : conversions et transferts

LES GÉNÉRATEURS

I. Généralités

1. Notion

Définition

Un générateur est un convertisseur d'énergie qui transforme en énergie électrique une autre forme d'énergie (chimique, mécanique, etc.).

2. Exemples

* La pile ou l'accumulateur : ils transforment une énergie chimique en énergie électrique. Leurs symboles sont :

pour la pile :

pour l'accumulateur :

* La dynamo ou l'alternateur : ils transforment une énergie mécanique en une énergie électrique.

* La cellule photovoltaïque convertit une énergie lumineuse (ou rayonnante) en électricité. Son symbole est :

3. Énergie perdue (ou dissipée) par effet Joule

Propriété

Toute transformation d'une énergie initiale en énergie électrique s'accompagne d'un dégagement de chaleur : il s'agit d'une puissance thermique dissipée par effet Joule

Cette dissipation a lieu aux bornes d'une résistance interne.

* Remarque importante : une source réelle de tension continue est caractérisée par sa force électromotrice (fém), notée $E$ (en volts), qui est la tension à ses bornes en circuit ouvert (I = 0 A) et sa résistance interne $r$ (en ohms) :

II. Convention d'orientation du générateur

Règle

Si la tension U aux bornes d'un générateur et l'intensité du courant I le traversant sont dans le même sens, alors le dipôle est en convention générateur.

III. Puissance et énergie électrique fournie par un générateur au circuit

La puissance électrique $P_e$ fournie par un générateur de tension $U_{PN}$ entre ses bornes et d'intensité $I$ la traversant est :

$\boxed{P_e = U_{PN} \times I}$
L'énergie électrique $W_e$ fournie par le générateur pendant la durée $\Delta t$ est :

$\boxed{W_e = P_e \times \Delta t = U_{PN} \times I \times \Delta t}$

IV. Loi d'Ohm généralisée et caractéristique du générateur

1. Caractéristique d'un générateur réel

Définition

Il s'agit de la représentation graphique de la tension $U_{PN}$ aux bornes dun générateur en fonction de l'intensité $I$ du courant qui le traverse : c'est la courbe qui caractérise le fonctionnement du générateur.

* La caractéristique de la pile est la suivante :

$E$ est une tension particulière : elle représente la force électromotrice du générateur (fém) en volts (V). C'est la tension aux bornes du générateur en circuit ouvert.
Le coefficient directeur de la droite est égal à la résistance interne du générateur. Elle est notée $r$ et son unité est l'ohm ( $\Omega$ ).
La pile est un générateur linéaire.

2. Loi d'Ohm généralisée

Loi d'Ohm généralisée

L'équation de la demi-droite obtenue est l'expression de la loi d'Ohm pour le générateur, soit :

$\boxed{U_{PN} = E - r \times I}$
$E$ est la force électromotrice (fém) en volts (V) ;
$I$ est l'intensité du courant qui traverse le générateur en ampères (A) ;
$r$ est la résistance interne du générateur en ohms ( $\Omega$ ).

3. Cas particulier : source idéale de tension

* Pour une source idéale de tension, la caractéristique est une demi-droite horizontale.

* L'alimentation est donc équivalente à un générateur de résistance interne négligeable et de fém E.

* Son symbole électrique est :

* Sa caractéristique est donc :

V. Bilan énergétique d'un générateur

1. Bilan énergétique

2. Principe de conservation de la puissance

* Le principe de conservation de la puissance d'un générateur s'exprime de la façon suivante :

$\boxed{E . I = U_{PN} . I + r . I^2}$
$E$ force électromotrice du générateur en volts (V) ;
$I$ intensité du courant traversant le générateur en ampères (A) ;
$r$ résistance interne en ohms ( $\Omega$ ).

* Démonstration :

Selon la loi d'Ohm généralisée, on a $\boxed{U_{PN} = E - r . I}$ $(1)$

En multipliant chaque membre de $(1)$ par I, on a $U_{PN} . I = E . I - r . I^2$

Finalement, on obtient : $\boxed{E . I = U_{PN} . I + r . I^2}$ .

3. Rendement

Définition

Le rendement du générateur est le rapport entre la puissance électrique fournie et puissance chimique réçue par ce générateur (puissance coûteuse) :

$\boxed{\eta = \dfrac{P_{\text{élec}}}{P_{\text{chimique}}} = \dfrac{U_{PN}}{E}}$

4. Remarque

* Cette étude peut être réalisée en termes d'énergie.

* En effet, il suffit donc de multiplier chaque terme de puissance par la durée $\Delta t$ pour exprimer le bilan énergétique du récepteur $\Rightarrow$ le rendement reste inchangé.

Publié par T_P / reprise et mise à jour par gbm le 01-05-2020

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2. Exemples

3. Énergie perdue (ou dissipée) par effet Joule

II. Convention d'orientation du générateur

III. Puissance et énergie électrique fournie par un générateur au circuit

IV. Loi d'Ohm généralisée et caractéristique du générateur

1. Caractéristique d'un générateur réel

2. Loi d'Ohm généralisée

3. Cas particulier : source idéale de tension

V. Bilan énergétique d'un générateur

1. Bilan énergétique

2. Principe de conservation de la puissance

3. Rendement

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