SCIENCES DE L'INGENIEUR

Niveau : Première générale, enseignement de spécialité SI

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LES LOIS DE L'ÉLECTRICITÉ

1. ANALOGIE HYDRAULIQUE

Dérivation du courant
courant de l'eau
débit Q = m3/s.

Hauteur d'une chute d'eau.
hauteur de la chute d'eau
hauteur Ham = m.
Remarque : le débit reste le même sur toute la hauteur

 

2. LOI DES NŒUD DE KIRCHHOFF

Si plusieurs récepteurs sont associés en dérivation au générateur, le courant délivré par le générateur est égal à la somme des courants traversant tous les récepteurs : IGEN = IR1 + IR2 + ...

Définition : la somme des courants arrivant au nœud est égale à la somme des courants partant du nœud.

Derivation     courant d'eau

Ex : I1 = 5A, I2 = 2A, calculer I3 puis I4

    $I1= $

3. LOI DES MAILLES DE KIRCHHOFF

série   série2

Le potentiel m représente la masse au potentiel 0V. Uam est la différence de potentiel (d.d.p) entre les points a et m :

Uam = Ua – Um.

Si plusieurs récepteurs sont associés en série, lorsqu’on relève toutes les d.d.p. Uam, Uab et Ubm, on remarque que :

Uam = Uab + Ubm

Exemple : On donne Uam = 230V, Uab = 110V, calculer Ubm :

    $Uam= $

4. PONT DIVISEUR DE TENSION :

Si on connaît la valeur des résistances, on peut calculer la tension Ubm

$Ubm = R2*I$
	$Uam = Uab+Ubm$
		$Uab = R1*I$
		$Ubm = R2*I$
	$Uam = R1*I+R2*I$
	$Uam = (R1+R2)*I$
	$I =(Uam)/(R1+R2)$
	
$Ubm=(R2*Uam)/(R1+R2)
  • Détermier Ubm en fonction de Uam lorsque R1 = R2, puis en déduire par quelle valeur sera divisée la tension Uam :
  • $Ubm= (R2*Uam)/(R1+R2)$ On remplace R1 par R2 $Ubm = $

  • Calculer Ubm lorsque Uam = 12V, R1=1MΩ R2 = 220Ω :
    $Ubm= (220 times ?)/(1*10^(?)+220)$ $U = ? $

  • 4. ASSOCIATION DE GÉNÉRATEURS (BATTERIES, PILES, ...)

    C'est en en 1800 que le physicien Alessandro Volta mis au point la pile voltaïque en empilant des cylindres de cuivre et de zinc.

    pile vola

    4.1. Association Série

    Dans cet exemple, on associe 3 éléments en Série (3S)

    Série

    Calculer la tension Uam puis courant I qui traverse la résistance R

    $Uam=$

    Vue éclatée d'une pile, type A23

    Pile 12v éclatée

    Compter le nombre de cellules contenues dans cette pile A23, puis calculer sa tension, sachant que chaque cellule a une tension de 1,5 V :

    4.2. Exercice

      A partir du schéma électrique suivant :

    • Ecrire les deux lois des mailles de la ddp Uam possibles, remplacer les ddp connues par leurs valeurs, puis calculer la tension Uac :
      D'après La loi des mailles : ⋄ Uam = ? ⋄ Uam = ?


    • Si R1 = 500Ω calculer le courant I puis convertissez-le en mA
      $I=$


    • Calculer la valeur de la résistance R2
      $R2=$


    4.3. Association en dérivation (ou parallèle)

    Pour augmenter l'autonomie en électricité , on peut associer plusieurs générateurs en parallèle.

    derivation

    Schéma simplifié de l'installation comprenant 2 éléments en Parallèle (2P):

    gene dérivation

    Calculer la tension de la batterie Uam . Si le courant I = 400 mA, en déduire la valeur des courants I1 et I2 sachant que les batteries sont identiques.

    $Uam=$


    Chaque batterie va donc devoir fournir un courant 2 fois moins important que s'il n'y avait qu'une seule batterie et donc durer deux fois plus longtemps.

    Exercice :

    On donne le schéma électrique suivant qui associe 6 batteries en série et en parallèle.

    schema

    Indiquer combien de branches parrallèles possède ce circuit et combien de batteries sont mises en série dans chaque branche. Quelle abréviation peut-on utiliser ? (xSxP). Si Toutes les batteries ont une tension de 12V, calculer la tension Uam.

    Ce circuit possède : $diamond$ ... branches parallèles, $diamond$ et ... batteries en série dans chaque branche. Ce qui s'abrège par ...S...P. Caclcul de Uam :


    4. CAPACITÉ DES GÉNÉRATEURS :

    La capacité d'une pile ou d'une batterie est exprimée en Ah. Il s'agit du nombre d'ampères que pourra délivrer la batterie pendant une heure.

    C'est le produit entre l'intensité du courant en A par le temps en heures :  Q = I x t 


    batterie 12V

    Relever la capacité de cette batterie :


    Exercice :

    image camping car

    Un camping-car dispose d'une batterie dédiée à la cellule, de 96 Ah.
    La nuit, le camping-car est éclairé par 5 lampes LED 12V et 4 rubans LED.
    Chaque lampe est traversée par un courant de 200 mA et chaque ruban est traversé par un courant de 500 mA.
    Combien de temps pourra-t-on éclairer le camping car avant que la batterie ne soit entièrement déchargée ?

    La batterie devra fournir un courant I de : I=


    Le propriétaire souhaite disposer de plus d'autonomie et ajoute une batterie suplémantaire, identique à la précédente et les associe en dérivation. Quel est le courant que devra délivrer chaque batterie, qu'en est-il de l'autonomie ?

    Si on veut remplacer les deux batteries par une seule, quelle devrait être la capacité de la nouvelle batterie pour garder la même autonomie que les deux associées en dérivation précédemment ?

     Lorsqu'on associe plusieurs batteries en parallèle, on additionne leurs capacités

    5. PUISSANCE :

    Sur le blister, le fabricant renseigne généralement la puissance en Watts (W) et la tension nominale en volts (V) de la lampe.

    Exemple d'une ampoule de phare d'une voiture :

    lampe 12v

    La relation de la puissance est la suivante :

     P = U x I 

    avec : P en Watts (W), U en volts (V) et I en ampères (A)

    Calculer la valeur de l'intensité du courant I circulant dans l'ampoule

    P = $U \cdot I$

    6. ÉNERGIE

    C'est la puissance consommée durant 1 ou plusieurs heures (Wh). C'est grâce à cette information que votre fournisseur d'électricité établi la facture de consommation d'électricité.

     E = P x t 

    avec E en Watts-heures (Wh), P en Watts (W) et t en heures (h)

    facture

    E peut aussi s'exprimer en Joules (J qui sont Watts-secondes 1 Wh = 3600 J)

    E = P x t

    avec P en Joules (J), P en Watts (W) et t en secondes (s)

    Exemple d'énergie stockée dans une batterie :

    batterie Li ion

    D'après la tension U en Volts et la capacité Q en Ah de la batterie ci-dessus, calculez l'énergie totale stockée dans la batterie en Wh puis en joules

    Énergie stockée dans la batterie en Wh : Énergie stockée dans la batterie en Joules :

    Cette batterie alimente mon smartphone d'une puissance moyenne de 200 mW. Calculer en heures l'autonomie du smartphone.

    Autonomie du smarphone :

    Fond : Texte : Tables :