Aspects énergétiques des phénomènes électriques

Cours · physique (première), chapitre 5 · première, spécialité physique-chimie · le début du chapitre, la suite sur Adloun

Un circuit en série : un générateur, une résistance et le courant qui circule.

L'électricité transporte de l'énergie — du barrage à la bouilloire, de la batterie au moteur. Ce chapitre relie le courant au débit de charges, modélise une source réelle de tension (une pile chauffe et sa tension chute !), puis dresse des bilans de puissance : effet Joule, pertes, et la question clé des enjeux énergétiques — le rendement d'une conversion.

5.1 Porteurs de charge et intensité du courant

Définition 5.1Porteurs de charge

Un courant électrique est un déplacement d'en\-sem\-ble de porteurs de charge :

dans un métal : les électrons libres (charge $- e$ ) ;
dans une solution ionique : les ions, positifs dans un sens, négatifs dans l'autre.

◆Théorème 5.2Intensité et débit de charges

L'intensité $I$ d'un courant continu mesure le débit de charges à travers une section du conducteur : si une charge totale $Q$ traverse la section pendant la durée $Δ t$ ,

$I = \frac{Q}{Δ t} (I en amp e ˋ res ; 1 A = 1 C / s) .$

Le courant, débit de charges : compter ce qui traverse la section par unité de temps. (Convention : le sens du courant $I$ est celui des charges positives — opposé au déplacement des électrons.)

Exemple 5.3

Un courant de $0, 50$ $A$ pendant une minute transporte $Q = I Δ t = 0, 50 \times 60 = 30$ $C$ , soit

$N = \frac{Q}{e} = \frac{30}{1 , 6 \times 1 0 ^{- 19}} \approx 1, 9 \times 1 0^{20} e ˊ lectrons :$

un débit colossal d'entités — pour un déplacement d'ensemble très lent (moins d'un millimètre par seconde !).

5.2 Modèle d'une source réelle de tension

Une pile neuve affiche $9, 0$ V à vide… mais $7, 8$ V dès qu'elle débite : une source réelle n'est pas idéale.

Définition 5.4Modèle de la source réelle

Une source réelle de tension continue se modélise par l'association en série :

d'une source idéale de tension $E$ (la force électromotrice, f.é.m.) ;
d'une résistance interne $r$ .

La tension à ses bornes, lorsqu'elle débite un courant $I$ , vaut

$U = E - r I .$

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