Réaliser des circuits électriques simples et exploiter les lois de l’électricité

Exploitation des lois de l'électricité et étude de quelques circuits électriques simples

Le courant électrique est la manifestation d'un transfert d'énergie par déplacements de porteurs de charges électriques : les électrons. Si ces électrons se déplacent entre deux bornes d'un appareil électrique (dipôle), il existe une tension électrique non nulle.

La quasi-totalité de nos appareils domestiques utilise cette forme d'énergie pour fonctionner.

Pour fonctionner, un appareil électrique doit être branché dans un circuit électrique fermé, relié à un générateur électrique et à un coupe-circuit pour assurer la sécurité de l'installation.

Dipôles en série

Dans une configuration en série, les éléments du circuit sont disposés les uns après les autres, formant une seule boucle, appelée "maille".

Dans cet exemple, un générateur (pile) alimente deux lampes.

1. L'intensité I du courant est la même en tout point du circuit : c'est la loi d'unicité de l'intensité.
2. La somme des tensions aux bornes des lampes est égale à la tension fournie par le générateur. C'est la loi d'additivité des tensions. $\rm U_1 + U_2 = U_G$

Dipôles en dérivation

Dans une configuration en dérivation, les éléments du circuit sont disposés en parallèle les uns aux autres, formant plusieurs boucles.

Dans cet exemple, un générateur (pile) alimente deux lampes.
Le courant d'intensité I issu du générateur bifurque dans la lampe $\rm L_1$ et dans la lampe $\rm L_2$ : $\rm I = I_1 + I_2$. C'est la loi d'additivité des intensités.

Relation tension-courant : loi d'Ohm

Il existe une relation de proportionnalité entre l'intensité I du courant parcourant un conducteur ohmique, sa résistance R et la tension U à ses bornes : $\rm U = R \times I$

Avec U en volt (V), R en ohm (Ω) et I en ampère (A)

EN RÉSUMÉ

Consommation électrique et facturation

Principe de base

La consommation électrique d'une habitation correspond à la quantité d'énergie électrique consommée par les différents appareils au cours d'une période donnée.

Unité de mesure

Pour la facturation, l'énergie électrique consommée est généralement exprimée en $\rm kWh$ (prononcer kilo watt heure) et non en joules. Le $\rm kWh$ est  une unité d'énergie.

Calcul de la consommation

La quantité d'énergie électrique consommée est mesurée par le compteur électrique. Le montant correspondant à cette consommation dépend de la quantité d'énergie consommée et du prix du $\rm kWh.$

Attention : avec une tarification en heures pleines et heures creuses, il faut prendre en compte séparément l'énergie consommée pendant chaque période et le tarif correspondant.

Formule de calcul

Pour les calculs, on rappelle que : $$P = \frac{E}{\Delta t}$$

Avec la puissance en $\rm kW$, l'énergie en $\rm kWh$ et le temps en $\rm h.$

EN RÉSUMÉ

La puissance électrique

La puissance caractérise la capacité d'un appareil à libérer rapidement de l'énergie.

Formule de la puissance électrique

La puissance électrique P d'un appareil correspond au produit de la tension électrique U à ses bornes par l'intensité du courant électrique I qui le traverse :

$$\rm P = U \times I$$

Unités

Avec :

• P en watt (W)
• U en volt (V)
• I en ampère (A)

EN RÉSUMÉ

L'énergie électrique

L'énergie électrique $E$ consommée par un appareil correspond au produit de sa puissance $P$ par sa durée de fonctionnement t : $E = P \times \Delta t$

$E$ en joules $(\rm J)$, $P$ en watts $\rm (W)$ et $\Delta t$ en secondes $\rm (s).$

Relation avec la tension et l'intensité

Nous avons précédemment vu que $P = U \times I$

D'où $E= U \times I \times \Delta t$

Avec $U$ en volts et $I$ en ampères.

Unités d'énergie

Remarque

Un joule correspond au produit d'un watt par une seconde : $\rm 1 ~J = 1~ W \cdot s$

Si le temps est exprimé en heure (h), l'énergie peut s'exprimer en wattheure (Wh). Le wattheure correspond à l'énergie consommée par un appareil d'une puissance de $\rm 1~W$ fonctionnant pendant 1 heure :

Comme $1~\mathrm{h}=3~600~\mathrm{s}$ et $1~\mathrm{W}=1~\mathrm{J/s}$,

$1~\mathrm{Wh}=1~\mathrm{W}\times3~600~\mathrm{s}=3~600~\mathrm{J}$

Mesure de la consommation électrique

Pour calculer la consommation électrique des foyers en France, les fournisseurs d'électricité utilisent des compteurs électriques qui mesurent l'énergie électrique, en kilowattheure (kWh) :

Comme $1~\mathrm{kW}=1~000~\mathrm{W}$,

$1~\mathrm{kWh}=1~000~\mathrm{W}\times3~600~\mathrm{s}
=3~600~000~\mathrm{J}$

Donc :

$\boxed{1~\mathrm{kWh}=3~600~000 ~\rm J= 3{,}6\times10^6~\mathrm{J}}$

EN RÉSUMÉ