Aspects énergétiques des phénomènes électriques

Exercice 1 : Maîtrise des connaissances (6 points)

Question 1 (2 points)

Qu'est-ce que l'effet Joule ? Donner la relation mathématique permettant de calculer la puissance dissipée par effet Joule, $P_J$, dans un conducteur ohmique de résistance $R$ traversé par un courant d'intensité $I$. Préciser les unités de chaque grandeur.

Question 2 (2 points)

Un générateur de tension réel est modélisé par une source de tension idéale en série avec une résistance interne.

Donner l'équation qui exprime la tension $U_{PN}$ aux bornes de ce générateur en fonction de sa force électromotrice (f.é.m.) $E$, de sa résistance interne $r$ et de l'intensité $I$ du courant qu'il débite. Expliquer la signification de chaque terme.

Question 3 (2 points)

Sur un schéma électrique, représenter un circuit fermé contenant :

1. Un générateur de tension réel de f.é.m. $E$ et de résistance interne $r$.

2. Un conducteur ohmique de résistance $R$.

Faire figurer sur ce schéma le sens conventionnel du courant $I$, la tension $U_{PN}$ aux bornes du générateur et la tension $U_R$ aux bornes du conducteur ohmique, en respectant les conventions générateur et récepteur.

Exercice 2 : Étude d'une pile (8 points)

On étudie une pile dont les caractéristiques sont les suivantes :

• Force électromotrice : $E = 4,5$ V

• Résistance interne : $r = 1,5$ Ω

Cette pile est connectée à un conducteur ohmique de résistance $R = 7,5$ Ω.

Question 1 (2 points)

En appliquant la loi d'Ohm généralisée au circuit, calculer l'intensité $I$ du courant qui circule dans le circuit.

Question 2 (2 points)

Calculer la tension $U_{PN}$ aux bornes de la pile lorsqu'elle débite ce courant.

Question 3 (3 points)

Effectuer un bilan de puissance pour la pile :

a. Calculer la puissance chimique convertie en puissance électrique (puissance générée) $P_{générée}$ par la pile.

b. Calculer la puissance dissipée par effet Joule à l'intérieur de la pile, notée $P_{J,interne}$.

c. Calculer la puissance électrique réellement fournie au circuit extérieur, notée $P_{fournie}$.

d. Vérifier que la somme des puissances est cohérente.

Question 4 (1 point)

Calculer le rendement $\eta$ de la pile dans ces conditions de fonctionnement.

Exercice 3 : Bilan de puissance d'un moteur électrique (6 points)

Un petit moteur électrique à courant continu est alimenté par une tension constante $U_{AB} = 12,0$ V. Lorsqu'il fonctionne, il est traversé par un courant d'intensité $I = 1,50$ A.

La résistance interne du moteur, correspondant à ses enroulements, est $r' = 2,0$ Ω.

Question 1 (2 points)

Calculer la puissance électrique $P_{reçue}$ consommée par le moteur.

Question 2 (2 points)

Calculer la puissance $P_{J,moteur}$ dissipée par effet Joule dans les enroulements du moteur.

Question 3 (2 points)

En déduire la puissance mécanique utile $P_{utile}$ fournie par le moteur. Calculer ensuite son rendement de conversion $\eta$.