Fiche de physique - chimie
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LES GÉNÉRATEURS

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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 :
Les générateurs : image 3

pour l'accumulateur :
Les générateurs : image 4

* 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 :

Les générateurs : image 5

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) :

Les générateurs : image 12

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.

Les générateurs : image 11

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

Les générateurs : image 8

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 :
Les générateurs : image 1

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 :
Les générateurs : image 6

* Sa caractéristique est donc :
Les générateurs : image 2

V. Bilan énergétique d'un générateur

1. Bilan énergétique

Les générateurs : image 9

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.

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