Chapitres
- 01. Le courant
- 02. La conduction
- 03. Une expérience pour tester
- 04. Exercice d'application
Pour déterminer si le courant électrique a un sens, tu vas utiliser, dans un circuit, un nouveau récepteur : le moteur électrique.
Le courant
Le courant alternatif
L'électricité est un phénomène naturel qui a commencé a être étudié dès le 16 ème siècle. L'arrivée du courant alternatif date de 1882 en France par l'invention de l'ingénieur Lucien Gaulard : le transformateur. Cela créa une véritable révolution dans l'industrie de distribution d'électricité. Comme le courant alternatif présentait plus d'avantages, il a rapidement remplacé le courant continu.
Un transformateur est un appareil censé modifier la tension et l'intensité d'un courant délivré par une source d'énergie alternative sans en changer la fréquence ou la forme.
Le courant alternatif correspond à un courant qui produit toujours de la même façon et ce sont les mêmes mécanismes qui entrent cause. Afin de créer du courant alternatif, on utilise une turbine et un alternateur. C'est également ainsi qu'il est produit dans les centrales électriques. En voici le détail :
- Une turbine est mise en rotation par de l'eau ou de la pression comme de la vapeur d'eau ;
- La turbine entraîne alors l'axe du rotor de l'alternateur sur lequel sont encrés plusieurs électroaimants ;
- Le courant électrique alternatif est produit par les interactions entre les électroaimants du rotor et le fil de cuivre en bobines autour du stator.
On dit d'un courant électrique alternatif qu'il est périodique et sinusoïdal. Périodique car sa tension change de sens de manière périodique en s'inversant constamment et sinusoïdal car la tension varie au cours du temps en décrivant une courbe sinusoïdale.
Intensité et différence de potentiel
Définition : Un courant électrique est dû par un déplacement de porteurs de charge : Les électrons e- dans les métaux. Qe= - 1,6 10-19 C = -e (avec e charge élémentaire) Les ions dans les solutions charges ηe L'intensité du courant continu dans un conducteur est le débit de porteurs de charges traversant une section du conducteur par unité de temps. C'est donc un nombre de Coulombs par m² et par seconde. L'intensité d'un courant électrique correspond à une des nombreuses grandeurs mesurables au sein des circuits électriques. Cette mesure permet alors de connaître le débit des charges électriques à travers une section du circuit étudié. L'intensité du courant électrique possède comme unité l'ampère qui est noté A. Cette unité tient son nom du célèbre physicien français André-Marie Ampère qui travaillera longuement et produira de nombreux travaux en rapport avec l'électricité. Le courant continu, noté CC en Français ou DC en Anglais, correspond a un courant électrique dont l'intensité reste indépendant du temps, on dit donc de celle-ci qu'elle est constante. C'est notamment le type de courant qui est délivré par les piles ou encore les accumulateurs. On peut donc appeler courant continu tout courant périodique dont l'intensité reste toujours relativement proche de sa valeur moyenne ou encore un courant périodique dont la composante continue, c'est-à-dire sa valeur moyenne est d'importance primordiale. Il est également possible de nommer courant continu tout courant électrique qui circule de façon continue ou très majoritairement dans le même sens. On dit alors de ce courant qui est unidirectionnel.
Le courant continu
Le courant continu est un courant électrique dont la particularité est que son intensité reste la même au fil du temps, il s'agit d'une constante.
On le retrouve également sous l'appellation CC ou DC pour "direct current" en anglais.
Taux et calculs sur le courant continu
Les taux permettent de calculer la qualité du courant continu. Un courant parfaitement constant aura un taux nul. Soient : I : Valeur efficace de i Ia : valeur efficace de la composante alternative de i < i > : Valeur moyenne de i Δ (i) = imax - imin : Valeur crête à creux de l'intensité On peut alors calculer les taux suivants : Taux d'ondulation : 
Taux d'ondulation efficace : 
Différence de potentiel U et la tension
Définition : On a vu que la tension électrique peut être considérée comme une différence entre deux états électriques appelés potentiel. Elle se compare à l'énergie potentielle de pesanteur mécanique et comme elle, elle permet la mise en mouvement des porteurs de charge. Pour un dipôle de bornes A et B, on note VA le potentiel en A et VB le potentiel en B. La différence de potentiel entre A et B est la tension UAB aux bornes du dipôle. La tension est une grandeur algébrique donc : UAB = VA -VB = - (VB – VA) = - UBA Représentation : On représente un tension UAB par une flèche dont la pointe est sur le premier indice A. On mesure la tension électrique en Volt à l'aide d'un Voltmètre branché en dérivation. Loi d'additivité des tensions : Le générateur donne à chaque boucle de courant la même tension qui est partagée par les éléments des boucles.
La puissance électrique
Définition : Deux grandeurs sont nécessaires pour rendre compte de l'énergie fournie par un générateur ou reçue par un récepteur. La tension entre ses bornes et l'intensité qui la traverse. On appelle puissance électrique, le produit. P = U I
Production de courant continu
Il existe plusieurs dispositifs qui produisent du courant continu. On y retrouve communément des générateurs tels que :
- Piles ;
- Accumulateurs ;
- Batteries ;
- Panneaux solaires ;
- Dynamos.
Il faut savoir également que la majeure partie du courant continu que l'on retrouve dans les appareils électriques est issue de courant alternatif redressé par un redresseur.
Un seul nom pour plusieurs types de courant
Le courant continu se décompose en plusieurs courants aux caractéristiques bien particulières. Le courant variable unidirectionnel : Il s'agit d'un courant dont le sens ne change pas mais dont l'amplitude varie au cours du temps. Le courant constant ou courant parfaitement continu : C'est un courant dont l'amplitude et la direction restent constants au fil du temps. Le courant ondulé lissé : Il s'agit d'un courant dont la direction reste constante mais dont l'amplitude peut être amenée à changer au cours du temps.
La conduction
Tout les métaux sont conducteur. Un métal est constitué d'atomes. Dans les atomes, certains électrons sont peu liés au noyau : Ce sont les électrons libres. Le générateur provoque leur mise en circulation. Dans un métal, le courant électrique est dû à une circulation ordonnée d'électrons libres. Les électrons libres, négatifs se dirigent vers la borne plus du générateur et sont refoulés par la borne négative ( G = Pompe à électrons ). Le sens de circulation des électrons est opposé au sens conventionnel du courant.
Une expérience pour tester
Le matériel
- Pile ronde, interrupteur, moteur électrique, fils de connexion.
L'expérience
- Avec le matériel, réalise le montage du document 1.
- Observe les éléments du circuit.
- Inverse le branchement de la pile.
- Observe de nouveau le montage.
1/ La borne – de la pile est reliée à la borne A du moteur.
2/ La borne + de la pile est reliée à la borne A du moteur.
3/ Le moteur
4/ Symbole d'un moteur
Représenter le schéma normalisé des deux circuits :
Circuit 1
Circuit 2
Conclusion
Le courant électrique circule dans un sens déterminé représenté par une flèche rouge. Par convention, le courant électrique circule de la borne + à la borne – du générateur.
Exercice d'application
Fixer sur le bitume un revêtement photovoltaïque résistant au passage des poids lourds et ainsi transformer le réseau routier en centrale électrique : ce rêve d’ingénieur n’en est plus un. Relevant tous les défis, un prototype de dalle solaire a été mis au point en France, et dans un premier temps 1000 km de routes devraient en être équipés avant l’année 2020.
Le but de cet exercice est d’estimer la surface de routes ou parkings qu’il conviendrait de munir de cette technologie pour couvrir la totalité des besoins de notre pays en électricité.
Questions préalables
- Indiquer pourquoi, selon vous, des panneaux photovoltaïques fixés sur les routes bénéficieront a priori d’un éclairement moindre que ceux fixés sur les toits d’habitation.
- Pour mieux comprendre les rendements relativement modestes des cellules à base de silicium, calculer la valeur de la longueur d’onde maximale lmax au-delà de laquelle les photons absorbés ne peuvent plus générer d’électricité. À quel domaine des ondes électromagnétiques appartient cette longueur d’onde ?
Problème
- Évaluer la surface de bitume à équiper de revêtement photovoltaïque, si l’objectif fixé est de couvrir par ce moyen la totalité des besoins de notre pays en électricité. S’appuyer sur le résultat obtenu pour dire si un tel objectif semble réalisable.
Hypothèse de travail : sur une voie à trafic moyen, la route bénéficie de près de 90% du temps d’éclairement.
La qualité de la rédaction, la structuration de l’argumentation, la rigueur des calculs, ainsi que toute initiative prise pour mener à bien la résolution du problème seront valorisées. Il est aussi nécessaire d’apporter un regard critique sur le résultat obtenu et de se demander si un objectif de ce type est accessible.
Définition
Le rendement d’une cellule photovoltaïque correspond au rapport entre l’énergie électrique fournie par cette cellule et l’énergie lumineuse reçue sur la surface correspondante :
Données
- En 2015, la production d’origine photovoltaïque s’est élevée en France à 6,7 milliards de kilowattheures, soit 1,4 % de la consommation électrique nationale. (D’après Science et Vie - Mai 2016)
- La superficie totale des routes et parkings de France vaut environ 17000 km2 (D’après Science et Vie - Mai 2016).
- Constante de Planck : h = 6,626x10-34 J.s.
- Célérité de la lumière dans le vide : c = 3,00x108 m.s-1.
- Électronvolt : 1 eV = 1,602x10-19 J.
La cellule (à base de silicium polycristallin) est "prise en sandwich" entre une douzaine de couches de résines polymères aux caractéristiques variées, dont la "recette" reste bien-sûr jalousement gardée. Le résultat est une dalle rectangulaire de seulement 7 mm d’épaisseur, appelée Wattway, présentant un rendement moyen d’environ 15 %, proche de celui des toitures qui avoisine les 18 %.
D’après Sciences et Vie - Mai 2016
Document 2 : l’énergie de gap d’un semi-conducteur
La cellule photovoltaïque, élément de base du capteur, est composée d’un matériau semi-conducteur qui permet de capter l’énergie des photons.
Dans un semi-conducteur à base de silicium, « l’énergie de gap » Eg est égale à 1,12 électronvolt à une température de 300 kelvins. Cela implique que seuls les photons ayant une énergie supérieure à Eg seront en mesure de déloger un électron de la bande de valence pour le faire passer dans la bande de conduction, contribuant ainsi à l’apparition d’un courant électrique.
Voici la carte des moyennes annuelles de l’énergie solaire reçue sur une surface orientée au sud et inclinée d’un angle égal à la latitude (en kWh/m2/jour), valeurs qu’il convient de minorer d’environ 20 % lorsque la surface est horizontale.
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