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ELECTRICITE - MESURES Electrotechnique niveau V / 06-99 LE COURANT CONTINU SCH

ELECTRICITE - MESURES Electrotechnique niveau V / 06-99 LE COURANT CONTINU SCH LE COURANT CONTINU SOMMAIRE 1. LE COURANT ELECTRIQUE ..................................................................... 4 1.1. ORIGINE ..................................................................................................... 4 1.2. STRUCTURE DE LA MATIÈRE .......................................................................... 4 1.3. ASSOCIATION DES ATOMES ........................................................................... 5 1.4. PROPRIÉTÉS DES MATÉRIAUX ........................................................................ 6 1.5. PRINCIPE ET CONVENTION CONCERNANT LE COURANT ÉLECTRIQUE ................... 6 1.6. CONSTITUTION D’UN CIRCUIT ÉLECTRIQUE ...................................................... 7 2. INTENSITE DU COURANT ELECTRIQUE ................................................. 9 2.1. DÉFINITION ................................................................................................. 9 2.2. MESURE DE L’INTENSITÉ D’UN COURANT ÉLECTRIQUE .....................................18 2.3. SENS CONVENTIONNEL DU COURANT ............................................................18 2.4. APPAREILS DE MESURE ...............................................................................19 2.5. DIFFÉRENTES FORMES DE CIRCUITS..............................................................19 3. POTENTIEL ELECTRIQUE - TENSION ....................................................21 3.1. DÉFINITION ................................................................................................21 3.2. SENS CONVENTIONNEL DE LA TENSION CONTINUE...........................................21 3.3. MESURE D'UNE TENSION CONTINUE ..............................................................22 3.4. APPAREILS DE MESURE ...............................................................................22 3.5. DIFFÉRENTES FORMES DE CIRCUITS..............................................................22 4.GENERALITES SUR LES MESURES ........................................................24 4.1. LES APPAREILS DE MESURE ANALOGIQUES .....................................................24 5. LOIS DU COURANT ET DE LA TENSION ................................................40 5.1. LOI DES NŒUDS :........................................................................................40 5.2. LOI DES BRANCHES .....................................................................................40 5.3. LOI DES MAILLES .........................................................................................41 LE COURANT ELECTRIQUE Electrotechnique niveau V / 06- LE COURANT CONTINU SCH 6. ENERGIE ...................................................................................................62 6.1. DÉFINITION ................................................................................................62 6.2. DIFFÉRENTES FORMES D’ÉNERGIE ................................................................62 6.3. TRANSFORMATION DE L’ÉNERGIE ..................................................................62 7. PUISSANCE...............................................................................................65 7.1. DÉFINITION ................................................................................................65 7.2. PUISSANCE ÉLECTRIQUE D’UN DIPÔLE ...........................................................65 7.3. RELATION FONDAMENTALE ..........................................................................65 7.4. RENDEMENT ..............................................................................................66 7.5. APPLICATION MESURE DE PUISSANCE ............................................................74 8. LOIS DU DIPÔLE RESISTANT..................................................................77 8.1. DÉFINITION ................................................................................................77 8.2. CLASSIFICATION DES RÉSISTORS ..................................................................77 8.3. LOI D’OHM .................................................................................................78 8.4. APPLICATION MESURES ...............................................................................84 9. CALCUL DE LA RESISTANCE D'UN CONDUCTEUR ..............................85 9.1. INFLUENCES DE LA LONGUEUR, LA SECTION ET LA NATURE D’UN CONDUCTEUR SUR SA RÉSISTANCE .................................................................................................85 9.2. INFLUENCE DE LA TEMPÉRATURE SUR LA RÉSISTANCE .....................................86 9.3. APPLICATION MESURE .................................................................................92 10. LA LOI DE JOULE ET L’EFFET DE JOULE ...........................................93 10.1. LOI DE JOULE ...........................................................................................93 10.2. EFFET DE JOULE .......................................................................................93 11. GROUPEMENTS DE DIPOLES RESISTANTS ........................................95 11.1. ASSOCIATION SÉRIE ..................................................................................95 11.2. ASSOCIATION PARALLÈLE ..........................................................................95 11.3. LE DIVISEUR DE TENSION ...........................................................................97 11.4. RÉGLAGE DU COURANT : RHÉOSTAT ......................................................... 101 11.5. RÉGLAGE DE LA TENSION : MONTAGE POTENTIOMÉTRIQUE........................... 101 11.6.LE DIVISEUR DE COURANT ........................................................................ 102 11.7. INFLUENCE DES APPAREILS DE MESURE SUR LES CIRCUITS........................... 103 11.8. APPLICATION MESURES ........................................................................... 118 12. LES GENERATEURS D’ENERGIE ELECTRIQUE ................................ 119 12.1. DÉFINITION ............................................................................................ 119 12.2. ETUDE EXPÉRIMENTALE D’UN GÉNÉRATEUR CHIMIQUE................................. 119 12.3. FORCE ÉLECTROMOTRICE ....................................................................... 120 12.4. RÉSISTANCE INTERNE DU GÉNÉRATEUR .................................................... 120 LE COURANT ELECTRIQUE Electrotechnique niveau V / 06- LE COURANT CONTINU SCH 12.5. COURANT DE COURT-CIRCUIT .................................................................. 121 12.6. ASSOCIATION D’UN GÉNÉRATEUR ET D’UN RÉSISTOR................................... 121 12.7. POINT DE FONCTIONNEMENT .................................................................... 122 12.8. PUISSANCES D’UN GÉNÉRATEUR .............................................................. 126 12.9. RENDEMENT ÉLECTRIQUE D’UN GÉNÉRATEUR CHIMIQUE .............................. 127 12.10. GROUPEMENT DE GÉNÉRATEURS CHIMIQUES IDENTIQUES ......................... 127 12.11. GROUPEMENT PARALLÈLE ..................................................................... 128 13. RECEPTEURS A FORCE CONTRE ELECTROMOTRICE (FCEM) ....... 138 13.1. MONTAGE EN OPPOSITION DE 2 GÉNÉRATEURS DIFFÉRENTS ........................ 138 13.2. CARACTÉRISTIQUE COURANT-TENSION ..................................................... 138 13.3. FORCE CONTRE-ÉLECTROMOTRICE (F-C-E-M) ............................................ 139 13.4. RÉSISTANCE .......................................................................................... 139 13.5. PUISSANCE UTILE ................................................................................... 140 13.6. RENDEMENT ÉLECTRIQUE D’UN RÉCEPTEUR À F-C-E-M E’ ............................ 140 13.7. CALCUL DU COURANT : LOI DE POUILLET ................................................... 141 LE COURANT ELECTRIQUE Electrotechnique niveau V / 06-99 LE COURANT CONTINU 4 1.1. Origine Le courant électrique est un déplacement de charges électriques dans la matière. 1.2. Structure de la matière Toute matière est constituée d’un ensemble d’éléments appelés corps. Cet ensemble peut se décomposer en corps purs c’est-à-dire en éléments de même nature. Ex. : air : Oxygène + azote La plus petite partie d’un corps pur gardant toutes ses propriétés est la molécule. Ex. : Oxygène : O2. Gaz carbonique : CO2. Ces molécules sont elles mêmes composées d’atomes. Ex. : 1 molécule d’oxygène = 2 atomes d’oxygène. 1 molécule d’eau = 2 atomes d’hydrogène et 1 atome d’oxygène. Au nombre de 109, les atomes combinés entre-eux donnent naissance à des milliers de molécules. Chaque atome est comparable à un micro-système solaire dont la taille fait quelques Angström (1 (Å) = 10-10 m). Les atomes comprennent un noyau autour duquel gravite des électrons. Hydrogène : Noyau : protons + neutrons Néon : Soufre : 1. LE COURANT ELECTRIQUE Electron (charge négative) LE COURANT ELECTRIQUE Electrotechnique niveau V / 06-99 LE COURANT CONTINU 5 Le noyau est composé de protons et de neutrons. Il rassemble des particules chargées positivement (protons) et des particules neutres (neutrons). Ces particules ont une cohésion très forte qui ne peut être détruite que par une charge très importante (explosion nucléaire). De masse équivalente à 1,67 x 10-27 kg, le proton est environ 1 800 fois plus lourd que l’électron. Ainsi, le noyau représente la masse principale de l’atome. Les électrons de masse très faible : 9,1 x 10-31 kg, sont en perpétuel mouvement en orbite autour du noyau suivant 7 couches successives repérées de K à Q en partant du noyau. Chacune de ces couches admet au maximum 2 n2 électrons avec un maximum de 8 électrons pour la dernière couche appelée couche de valence. (n = numéro du rang) Ex. : A Z   12 6 C atome de carbone 6 protons donc 6 électrons A l’état naturel les atomes sont électriquement neutres. L’électron ayant une charge équivalente en module au proton, mais de signe opposé, il y a donc autant d’électrons que de protons e p    . Charge : q = - 1,6 x 10-19 C C : Coulomb (unité légale) 1.3. Association des atomes Les combinaisons entre atomes s’effectuent en principe pour assurer une stabilité dans la composition de la matière suivant le nombre d’électrons de la couche de valence. Les atomes peuvent :  Perdre 1 ou 2 électrons : l’atome devient un ion positif (cation).  Gagner 1 ou 2 électrons pour compléter à 8 électrons la couche de valence : l’atome devient un ion négatif (anion).  Mettre en commun les 4 électrons de la couche de valence. La liaison est dite covalente (cas des semi-conducteurs). 12 particules (protons + neutrons) dans le noyau. K L M N O P Q . LE COURANT ELECTRIQUE Electrotechnique niveau V / 06-99 LE COURANT CONTINU 6 1.4. Propriétés des matériaux Les propriétés électriques des matériaux proviennent du nombre d’électrons situés sur la couche de valence. Après combinaisons les atomes des métaux comme le cuivre, l’argent ou l’or ont perdu un électron périphérique. Cet électron libéré se déplace de façon désordonnée dans la matière. Il est facile d’orienter cet électron grâce à une source d’énergie extérieure. Ces corps sont de très bons conducteurs. Les isolants qui ont leur couche de valence complétée à 8 électrons (saturée) n’acceptent aucun électron suplémentaire et ne laissent donc pas passer le courant électrique. Certains matériaux comme le carbone, le silicium et le germanium sont constitués d’atomes ayant 4 électrons périphériques. Leurs propriétés se comparent, soit aux conducteurs, soit aux isolants : on les appelle semi-conducteurs. Résumé : – courant = déplacement de charges électriques dans la matière. – atome = 1 noyau + des électrons répartis sur 1 ou plusieurs couches périphériques pouvant aller de K à Q, avec 1 maxi de 8 électrons sur la dernière couche appelée, couche de valence. Le maxi d’électrons sur une couche est de 2n2, n étant le rang de la couche. Il est électriquement neutre car autant de protons (+) que d’électrons (-). Protons et neutrons forment le noyau . – ion positif = atome qui a perdu 1 ou 2 électrons. – ion négatif = atome qui a gagné 1ou 2 électrons. – un conducteur = matériau qui laisse passer le courant. – un isolant = matériau qui ne laisse pas passer le courant. Sa couche de valence est saturée. (8 électrons). e- = q = -1,6 x 10-19 C ou q = 1,6 x 10-19 C. 1.5. Principe et convention concernant le courant électrique Nous avons vu que le courant électrique correspond à un déplacement ordonné de charges dans la matière. En chassant un électron d’un atome, celui-ci va rejoindre l’atome voisin apportant une énergie qui libère un autre électron. Le phénomène se reproduit d’atome en atome dans une réaction en chaîne. Et si la vitesse de déplacement d’un électron est faible : quelques mm.h-1, le mouvement d’ensemble se produit à la vitesse de la lumière, soit 300 000 km.s-1. Le sens du courant fléché conventionnellement est le sens qui s’établit de la borne + à la borne - du générateur en passant par le circuit extérieur : Sens conventionnel du courant + - Récepteur Générateur LE COURANT ELECTRIQUE Electrotechnique niveau V / 06-99 LE COURANT CONTINU 7 1.6. Constitution d’un circuit électrique SOURCES COMMANDES, LIAISON RECEPTEURS Générateur ~ ou Pile Accumulateur Réseaux E.D.F. ~ Dynamo Alternateur ~ Interrupteurs Contact de relais Fils conducteurs Protection : - fusible - disjoncteur Lampes ~ et Moteurs ~ ou D-E-L (diode électroluminescente) Résistances ~ et Accumulateurs Un circuit électrique se décompose en 3 groupes d’éléments : - les générateurs : soit de type continu : le sens de déplacement des électrons va toujours dans la même direction, soit de type alternatif : le sens du courant est orienté dans une direction et l’instant d’après uploads/s3/ electro-mesure-module-1.pdf