Electrocinétique Lyes LAKHAL lyes.lakhal@unilasalle.fr 4 CM de 2 h = 8 h 4 TD de 2h = 8 h Total 16 h = ?? crédits

Plan I. Généralités II. Les composants électriques dipolaires III. Réseaux électriques en régime continu

Plan I. Généralités II. Les composants électriques dipolaires III. Réseaux électriques en régime continu

I. Généralités I.1. Introduction I.2. Courant électrique I.3. Tension électrique I.4. Puissance électrique I.5. Caractéristique d'un dipôle

I. Généralités I.1. Introduction I.2. Courant électrique I.3. Tension électrique I.4. Puissance électrique I.5. Caractéristique d'un dipôle

I.1. Introduction L'électrocinétique est la branche de la physique qui a pour objet l'étude du courant électrique. Selon leur nature, les applications pratiques sont classées dans les domaines de : l'électrotechnique : le courant électrique est essentiellement utilisé comme véhicule de l'énergie, les puissances mises en jeu sont importantes. l'électronique : le courant électrique est essentiellement utilisé comme véhicule de l'information, les puissances mises en jeu sont en général faibles. En électrocinétique, on distingue les régimes continus, dans lesquels toutes les grandeurs électriques sont indépendantes du temps, des régimes sinusoïdaux pour lesquels les grandeurs électriques sont des fonctions sinusoïdales du temps. Ces deux régimes sont dits permanents. La durée, limitée dans le temps, pendant laquelle un circuit passe d'un régime permanent à un autre est appelée régime transitoire.

I. Généralités I.1. Introduction I.2. Courant électrique I.3. Tension électrique I.4. Puissance électrique I.5. Caractéristique d'un dipôle

Un circuit électrique simple et sa schématisation I.2 Courant électrique I.2.1 Définitions Un circuit électrique simple et sa schématisation Un circuit électrique est composé de différents éléments ; générateur, récepteur, fils de liaisons, interrupteur sont essentiels au fonctionnement d'un circuit : le générateur est la source d'énergie ;  l'interrupteur permet au générateur de libérer l'énergie ;  les fils de liaison véhiculent l'énergie ;  le récepteur convertit l'énergie en exploitant les effets du courant électrique. Le générateur et le récepteur possèdent deux bornes de connexion (liaison), ce sont des dipôles.

I.2 Courant électrique I.2.1 Définitions On distingue deux branchements possibles : dipôles en série (la sortie de l'un est reliée à l'entrée du suivant) ;  dipôles en parallèle ou en dérivation (entées reliées, sorties aussi). Dans un circuit fermé plus complexe, on distingue alors : la branche : portion de circuit contenant un ou plusieurs dipôles en série ; le nœud : connexion ou arrivent plusieurs branches. la maille : chemin fermé dans un circuit. Le circuit ci-contre possède 5 dipôles ; les dipôles 1, 2 et 3 sont en série pour former une branche, les dipôles 4 et 5 sont en parallèle. Le circuit ainsi formé comporte deux nœuds (A et B), trois branches et trois mailles.

I.2 Courant électrique I.2.2 Propriétés Charge électrique Les charges électriques peuvent revêtir différentes formes : charges élémentaires : électrons (- 1,60217662 × 10-19 coulomb ) , protons (+1,60217662 × 10-19 coulomb ) atomes chargés ou ions : positifs (cations) s'ils portent moins d'électrons que de protons, négatifs (anions) s'ils portent plus d'électrons que de protons corps chargés : la charge est due à un déséquilibre entre les populations d'électrons et de protons

I.2 Courant électrique I.2.2 Propriétés Différents types de courant Le courant électrique résulte d'un déplacement d'ensemble, ordonné, de particules portant des charges électriques. On peut distinguer plusieurs types de courants : courants particulaires : particules chargées se déplaçant dans le vide (faisceau électronique dans un tube cathodique par exemple) ; courants de convection : déplacement de charges provoqué par le mouvement d'un support matériel (phénomène d'induction) ; courants de conduction : déplacements de porteurs de charges dans un milieu matériel. Nous ne nous intéressons ici qu'aux conducteurs : déplacement global de milliards d'électrons libres constituant le « gaz » d'électrons dans le milieu matériel. Ce déplacement peut être provoqué par un générateur qui exerce une force sur le « gaz » d'électrons.

I.2 Courant électrique I.2.2 Propriétés Conducteurs, isolants. Les conducteurs sont des matériaux formés d'atomes dont la dernière couche contient un ou deux électrons : cuivre, or, argent, aluminium... Les isolants sont des matériaux formés d'atomes dont la dernière couche est saturée.

I.2 Courant électrique I.2.2 Propriétés Sens conventionnel – intensité – unité de mesure Par convention, le sens du courant correspond au sens inverse du déplacement des électrons. L'intensité du courant est la quantité de charges qui passe en un point du circuit pendant un laps de temps donné : 𝑖= 𝑑𝑞 𝑑𝑡    C'est une grandeur algébrique qui a donc un signe. L'intensité se mesure en Ampère (A).

I.2 Courant électrique I.2.2 Propriétés Loi des nœuds Au nœud N, il ne peut pas y avoir accumulation de charges. Ceci implique que les charges dq1 et dq2 emportées pendant dt par les courants I2 et I3 sont égales à la charge dq1 amenée en N par le courant I1. Autrement dit : I1 = I2+I3 Fondamental Dans un circuit en régime permanent continu, la somme des courants arrivant à un nœud est égale à chaque instant à celle des courants qui le quittent.

I. Généralités I.1. Introduction I.2. Courant électrique I.3. Tension électrique I.4. Puissance électrique I.5. Caractéristique d'un dipôle

1.3. Tension électrique 1.3.1 Définition Pour qu'un courant circule dans un circuit, il faut, au même instant, qu'au moins deux points A et B de ce circuit soient dans des états électriques différents. Ces états électriques sont formulés en terme de potentiels : VA et VB. La différence de potentiel VA - VB = U est alors appelée d.d.p. ou tension électrique. C'est une grandeur algébrique.

1.3. Tension électrique 1.3.1 Définition Analogie hydraulique Si l'eau et l'électricité font rarement bon ménage, elles ont cependant beaucoup points de points communs et on peut établir une analogie entre circuit électrique et circuit hydraulique, le second permettant de mieux comprendre le fonctionnement du premier. Cette analogie montre aussi une chose : l'altitude ZB n'a pas d'importance et peut être prise à zéro. Il en est de même pour les potentiels : dans un circuit électrique, ce sont les différences de potentiel entre deux points qui sont importantes, et non les potentiels eux-mêmes ; le potentiel le plus bas peut donc être choisi égal à zéro. Le point de potentiel pris arbitrairement nul s'appelle la masse ou la terre du circuit.

1.3.2 Notation – unité de mesure 1.3. Tension électrique 1.3.2 Notation – unité de mesure Notation – unité de mesure On représente la tension électrique UAB = VA-VB (VA > VB) entre les points A et B par une flèche allant de B vers A La flèche pointe toujours vers le potentiel le plus grand. L'unité de mesure de la tension est le volt (V). La mesure de la tension se fait à l'aide d'un voltmètre branché en dérivation entre les points A et B .

1.3. Tension électrique 1.3.3 Conventions Convention récepteurs Le courant et la tension sont orientés en sens inverse. Cela permet d’obtenir deux grandeurs positives pour des dipôles s’opposant à la circulation du courant. Convention générateurs Le courant et la tension sont orientés dans le même sens. Cela permet d’obtenir deux grandeurs positives pour des dipôles favorisant la circulation du courant.

1.3. Tension électrique 1.3.3 Loi des mailles Les tensions sont cumulatives, au sens algébrique du terme : si l'on prend trois points A, B, C et dans un circuit électrique, on peut écrire , VA-VC = (VA- VB) + (VB-VC) les quantités entre parenthèses pouvant être positives ou négatives. Dans un circuit fermé, possédant une ou plusieurs mailles, il est évident que si l'on part d'un point pour comptabiliser les tensions, et qu'on revient à ce point, on doit trouver une tension nulle, et cela quel que soit le chemin suivi dans le circuit. D'où la loi : Dans un circuit électrique, la somme des tensions rencontrées le long d'un parcours fermé effectué dans ce circuit est nulle. En pratique, on choisit un sens de parcours arbitraire de la maille ; si une tension est rencontrée par la pointe de la flèche, on lui affecte le signe « + », dans le cas contraire, on lui affecte le signe « - ».

1.3. Tension électrique 1.3.3 Loi des mailles Exemple: I On donne: UPN = 12 V UAB= 8 V Calculer UBC On a: - UPN + UPA+UAB+UBC+UCN = 0 -12 + 0 + 8 + UBC + 0 = 0 UBC = 12 - 8 = 4 V I

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I.4 Puissance électrique La puissance instantanée mise en jeu dans un dipôle AB est donnée par p= V A − V B I=UI Cette grandeur s'exprime en watts (W) et correspond à la vitesse d'exécution d'un travail : p= dW dt

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1.5 Caractéristique d’un dipôle Un dipôle se caractérise par la relation qui existe entre la tension à ses bornes et l'intensité du courant qui le traverse. Cette relation peut avoir ou non une forme mathématique explicite : U = f(I) ou I = g(U). Les représentations graphiques de ces fonctions, lorsqu'elles existent, s'appellent respectivement caractéristique statique « tension-courant » et caractéristique statique « courant-tension » du dipôle. Si ces caractéristiques sont des droites, le dipôle est dit linéaire.