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N°5 - Grandeurs physiques relatives à l’électricité - niv 5 à 4

N°5 - Grandeurs physiques relatives à l’électricité - niv 5 à 4

Nous retiendrons ici par souci de simplification quelques principes généraux permettant de comprendre des phénomènes liés à l’électricité.



  • La loi d’Ohm (relation qui lie tension, intensité et résistance)

U = R x I

Avec :
U : tension en Volts [V]
R : résistance en Ohm [Ω]
I : intensité en Ampère [A]

Conséquence: à tension constante, plus R est grand et plus I diminue et, inversement, l’intensité augmente au fur et à mesure que la résistance diminue.

Formules dérivées:
R (résistance en Ohm [Ω]) :
R = U / I
I (intensité en Ampère [A]):
I = U / R


  • Calcul de la puissance (action cumulée de la tension et de l’intensité)

P = U x I
P correspondant à la puissance en Watt [W]

Conséquence à tension constante plus l’intensité augmente et plus la puissance augmente d’autant et inversement.

Formules dérivées:

P = R x
P = U² / R


  • Qu’en est-il de l’énergie ?

L’énergie (caractérisée par Q lorsqu’il s’agit de chaleur et la lettre W lorsque l’on parle d’un travail) consommée par un circuit est exprimée en [Wh] ou en [kWh].
Q ou W sont le résultat de la puissance multipliée par le temps:

Q = P x t ou W = P x t


On pourra en complément étudier les dossiers « L’énergie, la chaleur » et « Les puissances en génie climatique ».



Q = P x t et P = R x
donc :
Q = R x x t

L’intensité d’un circuit aura donc un effet important sur l’énergie chaleur transférée.


L'image ci-dessous récapitule l'ensemble des formules que l'on peut utiliser selon la grandeur étudiée.




Dans un circuit électrique dès qu'il y a circulation d'un courant électrique (c'est-à-dire, au niveau atomique, un déplacement d'électrons), on constate en tout point du circuit que de la chaleur est émise en proportion de la résistance de ce circuit.

Dans le cas d’un fil conducteur, pour une intensité normale, cette quantité de chaleur (et donc l’élévation de température) est faible car par définition un fil conducteur offre une faible résistance au passage du courant. Mais attention si l’intensité devient anormalement élevée, la quantité de chaleur augmente en proportion du carré de cette intensité. ( Q = R x x t ).



Notons d’autre part que le corps humain doit être considéré comme un conducteur électrique puisque sa masse est composée à 70% de liquide chargé de sels minéraux. Sa résistance n’est pas fixe mais peut varier en fonction des situations et des circonstances (et devenir très faible).

Question

Q1: Quelle est en ampères la valeur de l’intensité qui traverse un radiateur électrique d’une puissance de 2000 [W], alimenté en 230 [V].
Calculez en ohms, la valeur de la résistance électrique.

8,7 [A]
26,45 [Ω]


Explication :

Pour le calcul du courant, on utilise la formule I = P / U
I = 2000 [W] / 230 [V] = 8,7 [A] (qui correspond au « débit » d’électrons)

Pour le calcul de la résistance, on utilise la formule R = U / I

Soit : R = 2000 / 8,7 = 26,45 [Ω] (c’est la résistance au passage des électrons)

Question

Q2: Quelle est la valeur de l’intensité qui traverse un radiateur électrique d’une puissance de 1000 [W], alimenté en 230 [V].
Calculez la valeur en Ohms de la résistance électrique.
Que peut-on dire, en termes de courant et de résistance de la comparaison des deux radiateurs étudiés dans les exercices 1 et 2?

4,35 [A]
52,9 [Ω]


Explication :
Pour le calcul du courant, on utilise la formule I = P / U
1000 [W] / 230 [V] = 4,35 [A]

Pour le calcul de la résistance, on utilise la formule R = U2 / P
2302 [V] / 4,35 [A] = 52,9 [Ω]

On constate que le radiateur de 1000 [W], absorbe 2 fois moins de courant et que pour cela sa résistance en Ohms est 2 fois plus grande.
Concevoir des radiateurs électriques consiste donc à fabriquer des résistances en rapport avec la tension d’utilisation et la puissance de chauffe à obtenir. Bien sûr ces résistances devront être capables de supporter la montée en température correspondante.

Pour une tension de 230 V :

Puissance

Intensité

Résistance

2000 [W]

8,7 [A]

26,45 [Ω]

1000 [W]

4,35 [A]

52,9 [Ω]


On comprend que pour une tension d’alimentation donnée, plus la résistance d’un circuit fermé est faible et plus il sera traversé par une forte intensité. Il se dégagera alors une puissance thermique élevée.
Si l’on raccordait un même fil électrique aux 2 bornes d’une prise de courant, il se produirait un « court-circuit » (faible résistance, grande intensité), capable de faire fondre le conducteur.
Par contre lorsque l’on raccorde le radiateur électrique par l’intermédiaire des fils conducteurs, l’intensité sera limitée par la résistance du radiateur. De ce fait, l’échauffement dans les conducteurs sera négligeable pour autant qu’ils soient d’une section de passage suffisante.

Question

Q3: Dans des conditions normales la valeur de résistance moyenne d’un homme soumis à 230 [V] est de 2000 [Ω] (mesure réalisée avec les mains sèches).
Par quelle intensité sera-t-il traversé s’il se trouve soumis sans autre résistance à une différence de tension de 230 [V]?

I = U / R, donc 230 [V] / 2000 [Ω] = 0,115 [A]

Une valeur de courant de 115 [mA] peut sur l’homme avoir des effets irréversibles.