I T 77P by 9Rxo4Q2

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TP-TD n°2 IMRT1 2007-2008               Electricité : les bases en régime continu
               Important : toujours faire vérifier le montage par le professeur avant
               de brancher l'alimentation.

I.               Objectifs du TP
                  Rappeler et étudier de façon pratique et théorique les lois de base de l’électricité en régime
                 continu ( dans ce cas , les grandeurs électriques (tension, intensité…) restent constantes au
                 cours du temps.
                  Utiliser un multimètre dans différentes fonctions : voltmètre, ohmmètre

II.              Description des circuits
                                       Un dipôle est un composant électrique comportant deux pôles ( ou
                                      deux bornes )
      A          Dipôle
                                       Des dipôles sont branchés en parallèle ( ou en dérivation ) quand ils
     Borne A               Borne B    ont mêmes bornes d’entrée et mêmes bornes de sortie
                                       Un nœud est un point auquel sont raccordés plus de deux fils
                                                 Des dipôles sont branchés en série quand ils sont branchés
                 les uns après les autres, sans nœud entre eux.
                  Une branche est l’ensemble des dipôles branchés entre deux nœuds successifs
                  Une boucle est un ensemble de branches successives qui reviennent au point de départ
         Sur le schéma ci-contre :
          a-     Nommez les différents dipôles                      ALIMENTATION CONTINUE         12 v
          b-     Donnez-leur des bornes sur le schéma
               ( P pour le pôle + du générateur et N pour son
               pôle - , A,B,C etc…pour les autres )
          c-     Quels dipôles sont en série ?
                                                                     Interrup     Résistance 100 
          d-     Quels dipôles sont en dérivation ?
                                                                     teur K
          e-     Nommez les nœuds du circuit
          f-     Nommez les branches du circuit
          g-     Nommez les boucles partant du pôle + du
               générateur
                                                                    Résistance 33          Résistance 47 
III.             Tension électrique
            Tension
                  La tension électrique UAB permet de mesurer la différence d’état électrique entre les points
                 A et B. La tension UAB est également appelée différence de potentiel
                 des points A et B : UAB = VA – VB : VA et VB sont les potentiels des points A et B.
                  La tension est une grandeur algébrique : Si UAB > 0 alors VA > VB ( A est à un potentiel
                 plus élevé que B ) ; si UAB < 0 alors VA < VB ( A est à un
                 potentiel moins élevé que B )                                            UAB

                  Conséquence : pour deux points A et B d’un circuit, on
                                                                              A        Dipôle         B
                 a UAB = -UBA
                  Fléchage d’une tension : sur un schéma, on représente
                 une tension UAB par une flèche dont la pointe est en A
                 (pointe de la flèche au premier point de la tension).
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        Mesure d’une tension : on mesure une tension électrique UAB entre deux points A et B d’un
circuit grâce à un voltmètre branché en dérivation entre les deux points A et B. Tension U à mesurer
Elle se mesure en Volts (V).
                                                               Voltmètre : la borne V           Borne    v        Borne
 ALIMENTATION CONTINUE            12 v                est branchée au premier point de           V                COM
     P                                    N           la tension, la borne COM au
                                                      deuxième point

                                                         Application : Sur le schéma ci-contre , fléchez les tensions
      Interrupteur K                                      UPN , UPA , UAB , UBA , UBC , UCD et UDN. Dessinez les
                                                          voltmètres nécessaires pour mesurer les tensions UPN , UPA
                                                          , UBA et UCD ( en pratique, vous n’utiliserez qu’un seul
                                                          voltmètre que vous déplacerez entre les différents points
                                                          demandés )
 A                B          C                D          Après vérification, lorsque l’interrupteur est fermé,
     Résistance 33          Résistance 47               mesurez ces tensions.
                                                         Faites les mêmes mesures lorsque l’interrupteur est ouvert.
    Construisez un tableau qui résume et regroupe les résultats
                      Exploitation des résultats :
           a- Tension aux bornes d’un fil : en examinant les résultats entre D et N, proposez une interprétation des
           résultats.
           b- Tension aux bornes d’un interrupteur : en examinant les résultats entre P et A, proposez une
           interprétation des résultats.
           c- Loi d’additivité des tensions : En utilisant le tableau que vous avez réalisé dans le paragraphe
           précédent et en créant une nouvelle colonne calculée à partir des précédentes, montrez que le circuit
           étudié vérifie la loi d’additivité des tensions ( citée dans le paragraphe suivant )
         Lois des tensions ( à compléter )
               La tension aux bornes d’un fil est ………..
               Les tensions aux bornes de deux dipôles branchés en parallèle sont égales
               Loi d’additivité des tensions : Quel que soit le circuit étudié, on peut décomposer une
              tension en fonction d’autres tensions en passant par différents points ( par exemple :
               UAB = UAC + UCD + UDE + UEF + UFB )

IV.          Intensité d’un courant électrique
         Intensité
               Un courant électrique est un déplacement d’ensemble de charges électriques dans un
              conducteur électrique ( ex : ouvrir l’animation « courant électrique »)
               Sens conventionnel du courant : le courant électrique circule hors du générateur de sa
              borne + vers sa borne - ( remarque : ce sens conventionnel est opposé au sens de déplacement des
              électrons ( charges négatives ) , qui circulent de la borne - vers la borne + du générateur ).
               L’intensité I d’un courant électrique permet de connaître le débit de charges qui passent
                                                                      q
              en un point du circuit du fait de ce courant I            ( q est la charge totale ( unité : Coulomb (
                                                                      t
              C) ) qui est passée au point pendant la durée t ( unité : s ) ; l’unité de l’intensité est l’Ampère
              ( A ) ( 1 A = 1 C.s-1 )
               Fléchage d’une intensité : sur un schéma, on représente une intensité I par une flèche sur
              le circuit dans le sens conventionnel du courant.
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                   Mesure : on mesure l’intensité I d’un courant électrique en un point M d’un circuit grâce à
                  un ampèremètre intercalé en ce point M.
                   Ampèremètre : l’intensité du courant à mesurer entre par la borne « mA » (ou A) et sort
                                                par la borne « com ».
              I                       Lois des intensités           ( à compléter )
                     A
      Borne
        A
                             Borne
                             COM                 L’intensité du courant dans un circuit en série est la même
                                                en tout point du circuit
                                                 L’intensité du courant dans une branche est
                  ……………….. en tout point ( car les dipôles sont branchés en …………………… ) .
                   Loi des nœuds : La somme des intensités des courants arrivant à un nœud est égale à la
                  somme des intensités des courants repartant de ce nœud
    on étudie théoriquement le circuit suivant : on mesure
     les tensions UPN =9,0 V, UBC = 3,4 V, UAE = 5,8 V .
    Quels sont les nœuds du circuit ?
                                                                         P                                   N
    Quelles sont les branches du circuit ?
    Déterminer les tensions UCD et UEN. ( justifier )
    Flécher l’intensité du courant dans chaque branche et                              Lampe         Dipôle3
     placer les ampèremètres nécessaires pour mesurer
     chacune de ces intensités.
    Le générateur délivre un courant d’intensité 75,0 mA ;
                                                                     A                                           E
     le dipôle 2 est parcouru par un courant d’intensité                     Dipôle 1             Dipôle 2
     47,0 mA. Déterminer les intensités des courants qui
     traversent chaque dipôle du circuit ( justifier ).               B                 C                        D

V.            Caractéristiques des dipôles
       Définition
                   La caractéristique d’un dipôle est la courbe reliant les variations de la tension UAB à ses
                  bornes en fonction de l’intensité du courant I qui le traverse ( il faut alors préciser les
                  conventions d’orientation de la tension et du courant ) .
       Exploitation
       Connaissant les caractéristiques des dipôles, on peut donc prévoir leur fonctionnement.
                   En particulier, l’allure de la caractéristique permet de classer les dipôles
                          Caractéristique passant par l’origine ( UAB = 0 quand I =0 ) : dipôle passif
                        Caractéristique ne passant pas par l’origine ( UAB = 0 quand I =0 ) : dipôle actif
                        Caractéristique symétrique par rapport à l’origine : dipôle symétrique ( son comportement
                       est identique quel que soit son sens de branchement )
                       Caractéristique représentée par des segments de droite : dipôle linéaire ( ce dernier cas est
                       intéressant car il permet de mettre facilement en équation la caractéristique et de remplacer le
                       dipôle par des modèles équivalents simples )
       Limites des dipôles
                   Les dipôles ne peuvent supporter sans dommage n’importe quelles valeurs de courant, de
                  tension ou de puissance ( voir ensuite le rappel sur les puissances )
                   Il ne faut donc pas dépasser les valeurs nominales indiquées par le constructeur
                  ( puissance, intensité ou tension ) pour chaque dipôle
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                         Rq : on peut tolérer un dépassement des valeurs nominales ( 1,5 x valeur nominale ) pas trop
                        longtemps.
         Cas particulier du conducteur ohmique
               La caractéristique d’un conducteur ohmique est une droite passant par l’origine : c’est
              donc un dipôle passif linéaire et symétrique.
               On en déduit la relation simple : UAB = R. I qui est la loi d’Ohm.
                                                           Conditions d’application de cette loi :
         A    I                         B               Le courant rentre dans le dipôle par la borne A (c’est la
                        R
                                                         convention récepteur )
                                                        R est la résistance du conducteur ohmique ( Unité de R :
                                                         Ohms (  ) si UAB est en Volts et I en A ) ; on définit aussi
                         UAB

                  1
         G            la conductance du conducteur ohmique ( Unité de G : -1 ou Siemens ( S ) si UAB est en Volts
                  R
         et I en A )
                        Association de conducteurs ohmiques

                                         Etude d’une association en série de deux résistances au carbone
               Expérience :
                          A l’ohmmètre et hors circuit, mesurez R1 et R2 :
                          Associez en série les deux résistances sur la platine (toujours hors circuit) et
                             mesurez la résistance équivalente Re :
                          Quelle relation existe entre ces trois valeurs ?
                                                     Etude théorique
     A                    C            A             Soient les schémas ci-dessous :
                                                           Fléchez I, UAC , UBC puis exprimez I, UAC , UBC puis UAB
                 R1
                                                     
                          R2                     Req     à partir du schéma réel.
                                                          Exprimez UAB à partir du schéma équivalent.
     B
                                        B
                                                          Déduisez-en la relation établie à partir des mesures
             Schéma réel       Schéma équivalent
                                                         entre Re, R1 et R2.


                       Complétez alors le cadre suivant :
               L’association de plusieurs conducteurs ohmiques ( de résistances R1, R2, …et Rn )
              branchés en série est équivalente à un seul conducteur ohmique de résistance appelée
              résistance équivalente ( notée Req ) et dont la valeur est :       Req  .........................
               La résistance équivalente est alors égale à la somme des résistances en série et est plus
              ……………… que la plus grande des résistances placées en série.

                                         Etude d’une association de deux résistances au carbone en parallèle
              Expérience
                                Associez en parallèle R1 et R2 et mesurer Re.
                                Calculez 1/Re puis 1/R1 + 1/R2. Concluez.
                                                              Etude théorique
 A                                        A                   Soient les schémas ci-contre :
                                                                     Fléchez UAB et les courants ( en convention
                                                                  récepteur )
                  R1        R2                         Req           Exprimez I1 en fonction de R1 et UAB.
                                                                     Exprimez I2 en fonction de R2 et UAB
 B
                                            B
     Schéma réel                  Schéma équivalent
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      Quelle est la relation entre I, I1 et I2 ?
      Déduisez-en la relation entre Re, R1 et R2
      Comparez à celle obtenue à partir des mesures.
                  Complétez alors le cadre suivant :

             En parallèle : L’association de plusieurs conducteurs ohmiques ( de résistances R1, R2,
            …et Rn ) branchés en parallèle est équivalente à un seul conducteur ohmique de résistance
                                                                            1
            appelée résistance équivalente ( notée Req ) et telle que :         ......................
                                                                           Req
            ou de conductance Geq telle que   Geq  ........................
             La résistance équivalente à une association de résistances en parallèle est plus
            ……………………. que la plus petite des résistances en parallèle.

VI.         Energie et puissance électriques
       1-      Un dipôle récepteur transforme l’énergie électrique qu’il reçoit…
      Un dipôle récepteur parcouru par un courant électrique absorbe de l’énergie électrique qu’il
      transforme en différentes formes d’énergie ( énergies mécanique, chimique, calorifique,
      lumineuse...)
                  D’où provient l’énergie électrique absorbée par un râpe-carottes électrique ? En quelle(s)
                   forme(s) d’énergie(s) est-elle transformée ?
                  Mêmes question pour un baladeur MP3, puis pour une lampe, puis un accumulateur en
                   charge
      Tous les dipôles électriques parcourus par un courant transforment une partie de l’énergie
      électrique qu’ils reçoivent en énergie calorifique ( appelée aussi chaleur ) : ce dégagement de
      chaleur se nomme l’effet Joule.
                  Comment peut-on s’en rendre compte ? En quoi ce phénomène peut-il être gênant ?
      Loi de Joule : les conducteurs ohmiques transforment toute l’énergie électrique qu’ils
      reçoivent en énergie calorifique.
                  Dans quels cas ce phénomène peut-il être intéressant ? Citez des exemples dans la maison.

       2- Un dipôle générateur transforme l’énergie qu’il reçoit…
      Un dipôle générateur transforme l’énergie qu’il reçoit sous différentes formes en énergie électrique
      ( énergie utilisable ) et en d’autres formes d’énergie ( énergies non utilisables )
                  Donnez des exemples de générateurs en précisant les différnets formes d’énergie
                   transforméers ou produites

       3- Energie et puissance
      Plutôt que de caractériser les dipôles électriques ( générateurs ou récepteurs ) par l’énergie
      électrique qu’ils reçoivent, on préfère souvent définir la puissance électrique qu’ils reçoivent .
      Définition de la puissance : la puissance est égale à l’énergie consommée par seconde. On peut
                                                E
      donc donner la relation suivante : P 
                                                t
                 P est la puissance ( Unité : le Watt – symbole : W )
                 E est l’énergie ( Unité : le Joule – symbole : J )
                 t est la durée pendant laquelle l’énergie E a été consommée
                 ( unité : la seconde – symbole : s )
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                 Une lampe de puissance 60 W est utilisée pendant 35 minutes . Quelle énergie a-t-elle
                  consommé ?
                 Vous laissez fonctionner les voyants lumineux de votre téléviseur, de votre console de jeux et
                  de votre magnétoscope pendant 24 heures . Chaque voyant consomme une puissance de
                  0,5 W . Calculez l’énergie totale consommée.
                 Concluez en comparant ces deux calculs.

      3-     Puissance électrique absorbée par un dipôle récepteur
     La puissance électrique consommée par un dipôle électrique récepteur est donnée par la relation
     P = U.I ( U étant la tension aux bornes du dipôle et I l’intensité du courant qui le traverse ;
     ces deux grandeurs sont fléchées avec la convention récepteur )
                 Rappeler par un schéma cette convention de flèchage
                 Calculer la puissance électrique par un poteur électrique alimenté sous une tension de 6,0 V
                  et paracouru par un courant d’intensité 1,2 A.
                  Limites d’utilisation d’un conducteur
     Pour éviter de détériorer des dipôles à cause de l’effet Joule, on doit donc connaître les valeurs
     maximales d’intensité ou de puissance que peut supporter ce dipôle.
                 Relever sur le culot d’une ampoule les valeurs de tension et d’intensité recommandées par le
                  constructeur. Quelle puissance supporte-elle alors ?
                  Limites d’utilisation d’un conducteur ohmique
                 Relever l’intensité maximale supportée par les résistances bobinées utilisées en TP . Calculer
                  alors la tension à leurs bornes . En déduire la puissance qu’elle absorbent.
                 Selon leur taille, les résistances au carbone aggloméré utilisées en TP peuvent dissiper une
                  puissance maximale de 1/8 Watt, 1/4 Watt 1/2 Watt ou 1 Watt. Dessinez la taille réelle de
                  chaque résistance sur votre copie.
                 Pour la résistance fournie par le professeur, déterminez les valeurs maximales de tension et
                  d’intensité qu’elle supporte ( vous utiliserez la loi d’Ohm et la définition de la puissance
                  électrique absorbée par un dipôle ).

      3-     Puissance électrique fournie par un dipôle générateur
     La puissance électrique fournie par un dipôle générateur est donnée par la relation P = U.I
     ( U étant la tension aux bornes du dipôle et I l’intensité du courant qui le traverse ; ces deux
     grandeurs sont fléchées avec la convention générateur )
                 Rappeler par un schéma cette convention de flèchage
                 Un générateur délivre une tension constante égale à 6,0 V quel que soit le courant qu’il débite
                  ( tant que son intensité reste égale à 1,0 A ). Au-delà de cette limite , la tension aux bornes du
                  générateur chute brutalement à 0 V ( dispositif de sécurité ).
              On branche aux bornes de celle –ci une résistance chauffante de 6,0 W pour chauffer un petit
              récipient. Quel est le courant fourni par le générateur ?
              Pour chauffer plus vite, on décide de brancher une deuxième résistance chauffante identique en
              dérivation sur la première. Va-t-on arriver au résultat espéré ? Pourquoi ?

								
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