Bilan énergétique d'un conducteur ohmique

[Bigben 007]

Bonjour à tous!

J'aimerai avoir quelques éclaircissements sur un point de mon cours de premières S sur l'électricité. Il s'agit d'un problème de compréhension de ma part je pense mais le prof n'a pas su répondre à ma question:

Le conducteur ohmique ou résistance est un récepteur passif c'est à dire d'après la définition de mon cours qu'il transforme intégralement l'énergie électrique qu'il reçoit en énergie thermique. Ce qui se traduit dans le bilan énergétique par:

W_{él reçue}=W_t

avec W_t l'énergie thermique dissipé par effet joule

Or je conçoit la chose comme cela: les électrons arrivent tous contents au niveau de la résistance la traverse et... retourne au générateur (courant continu) mais avec quelle énergie retourne t-il au générateur si la totalité a été transformé par effet joule???

Seul une résistance parfaite transformerait (tjrs selon moi) 100% de W_{él reçue} en énergie thermique.

Help! Expliquez-moi s'il vous plaît je ne vois pas en quoi mon raisonnement est faux (mais il est faux!!!).

Merci de votre écoute et de vos réponses qui m'aideront je l'espère.
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[calculair]

L'energie electrique est dissipée dés la sortie du génerateur, jusqu'a l'arrivée des electrons dans le generateur. Elle est dissipée dans la resistance identifiée comme telle, mais aussi dans tous les fils de connection.

Les electrons partent avec une energie potentielle du generateur et reviennent avec une energie potentielle egale à 0.

Par ailleurs, il y a lieu aussi de tenir compte de la dissipation thermique à l'interieur du generateur.

Dans le generateur, la resistance ohmique, peut être egalement le siège de l'apparition de l'energie electrique etde la dissipation thermique. Si tu considère un fil en cuivre de resistivité "rho" qui coupe un flux magnetique, comme les enroulements dans une dynamo, il est le siège de l'apparition d'une force electromotrice qui va faire circuler les electrons dans le circuit electrique, mais il est aussi le siege d'une dissipation thermique.

Tu peux ecrire cela sous cette forme

E = ( r + R ) I ou r est la resistance interne du génerateur et R la resistance de tout le circuit exterieur au generateur ( fil connection et ta resistance identifiée) et E la force electromotrice

La puissance dissipée est EI = (r + R ) I², donc rI² est l'effet thermique interne au gérateur et RI² l'effet thermique total à l'exterieur du génerateur.

En decomposant R en R1,R2,R3 comme les resistances des connections, fils et de ta resistance identifiée, tu peux deduire, les echauffements de ces differents elements.

J'espère que cela est clair.

[Bigben 007]

Merci pour ta réponse. Voyons voir si j'ai bien compris:

"Les electrons partent avec une energie potentielle du generateur et reviennent avec une energie potentielle egale à 0."

Prenons un circuit basique alimenté par un générateur en tension continu:

Générateur > Fil électrique > Résistance > Fil électrique > Générareur

Ce qui est écrit en rouge est en fait une seule et même résistance équivalente ( R_eq= 2R_fil+R_résistance) dans laquelle l'énergie électrique se dissipe par effet joule.
Supposons, maintenant, que notre générateur soit idéal, sa résistance interne étant nul les seules pertes par effet joule sont dues à R_eq.
On reviendra un cas plus complexe tout à l'heure.

Donc les électrons partent (encore une fois tous contents) du générateur avec une énergie potentielle définie par ce générateur: E (c'est bien ça???)
Ils traversent le premier fil et perdent un peu de leur énergie potentielle, mais continuent, ils traversent alors la résistance et en perdent encore un peu, ils terminent alors en traversant le dernier fil et finissent avec une énergie potentielle nulle (tout a été transformé en énergie thermique).

Le problème c'est que si je prend une "fraction", un morceau de la résistance équivalente je me retrouve avec une nouvelle résistance plus faible mais qui d'après mon cours transforme la totalité de l'énergie électrique reçue en chaleur, seulement si je met plusieurs de ces fractions bout à bout pour recréé R_eq... les électrons s'arrête de se déplacer après une seule fraction.

D'autres part je ne comprend pas ceci: "Si tu considère un fil en cuivre de resistivité "rho" qui coupe un flux magnetique, comme les enroulements dans une dynamo, il est le siège de l'apparition d'une force electromotrice qui va faire circuler les electrons dans le circuit electrique, mais il est aussi le siege d'une dissipation thermique."

Je sais que suis ch.... mais je ne demande qu'à comprendre.

Petite note (peut-être que mon problème vient de là):

Energie électrique: énergie des électrons qui se déplace dans le circuit.
Conducteur ohmique ou résistance: récepteur passif qui transforme toute l'énergie électrique reçue en énergie thermique (Loi de Joule).

[GrisBleu]

Salut

L energie electrique "recue" n est pas egale a l energie des electrons entrant mais a la difference entre l energie entrante et l energie sortante. Dans le cas d une resistance, cette differenc e d energie est transformee entierement en chaleur et rien d autre (ex: pas de travail)

++

[A voir en vidéo sur Futura]

[Bigben 007]

Alors c'était bien un problème de définition!

Je croyais, à tort, que l'énergie électrique reçue par le récepteur était égale à l'énergie des électrons entrant dans le récepteur.

En réalité, l'énergie électrique reçue par le récepteur est une partie de l'énergie électrique totale. Comme tu l'as dit on a:

W_{él reçue}=W_{él entrant}-W_{él sortant}=W_t

Merci!!! J'ai enfin compris.

[Bigben 007]

Et quand à ce que tu disais calculair? Peux-tu m'expliquer ce que tu entends lorsque tu parles du générateur et du "flux magnétique"?

[f6bes]

Bjr Bigben007,
Et si je te disais qu'en alternatif les électrons ne bougent quasiment PAS dans les conducteurs.
Font du sur place, sont pas préts de faire TOUT le circuit !
AVec du courant continu il se déplacent à la vitesse d'un escargot !
Découragant tout ça !
Allez fait toi une petite recherche sous Google avec "vitesse de déplacement des électrons dans un conducteur".
Bon W.E

[calculair]

Le generateur electrique est un système qui transforme une energie, mecanique, chimique, electromagnetique, chaleur, en energie electrique.

exemples , dynamo, plile, cellules photovoltaïques, thermo couple...

Pour ce qui concerne la dynamo et son flux magnetique, chaque spire de surface S est traversé par une induction magnetique variable.

La loi de Lentz dit que chaque spire est le siege d'une force electromotrice
e = - delta Phi /delta t = - S delta B / delta t .Ou B est l'induction magnetique. Ce phénomène est à l'origine du fonctionnement de la dynamo. J'en ai evoqué le principe pour illustrer que même dans le generateur, il pouvait y avoir des pertes d'energie en plus de sa production (il faudrait dire de la transformation d'une energie Y vers l'energie electrique ici )

[Bigben 007]

Je me suis en effet amusé à effectuer la recherche:

Dans un circuit à courant continu:

Résultat: "Un calcul simple montre que la vitesse des électrons dans un fil de cuivre de 1 mm2 parcouru par un courant de 10 A est de l'ordre de 0,6 mm/s.
Dans un fil conducteur, il y a trois vitesses. La vitesse d'agitation thermique des électrons qui est très grande (de l'ordre de 120'000 m/s ou 342'000 km/h pour une température de 27°C), mais totalement désordonnée : les électrons s'agitent dans tout les sens et en moyenne la vitesse est nulle. La vitesse du courant d'électrons qui est très faible comme on vient de le voir. Et enfin la vitesse du signal propagé par le courant électrique et qui est celle de la vitesse lumière (c'est-à-dire environ 300'000'000 m/s)" le système est comparable à celui d'un boulier.

Mais alors un conducteur ohmique ralentie les électrons (perte par effet joule d'une partie de leur énergie) donc diminuela vitesse 2 >> directement diminue la vitesse 3 n'est-ce pas?

En courant alternatif: Je suis en effet au courant (Jeu de mot) que dans ce cas le déplacement moyen des électrons est (quasi) nul. Mais ma question concernait le cas du courant continu.

Merci.

[Bigben 007]

Ah d'accord j'ai compris ce que tu voulais dire calculair:

Oui j'ai en effet expérimenté ce que tu dis mais à l'envers. Pour mon TPE j'ai créé un petit moteur électrique (transforme une énergie électrique en énergie mécanique: l'inverse de la dynamo) et j'ai en effet entrevue les propriétés basiques de l'électromagnétisme (Je ne suis qu'en première S, doucement) grâce à une bobine et ses spires (désordonnés): Toute particule chargée en mouvement crée autour d'elle un champ magnétique. C'est en utilisant ce champ magnétique que le moteur fonctionnait. Voilà pour l'anecdoque

Pour ce qui est des pertes d'énergie dans le générateur pas de souci, je sais (dites moi si je me trompe) que le générateur idéal n'éxiste pas en réalité. Mais comment s'appelle le système qui tend à compenser ces pertes pour approcher de la résistance interne nulle? Je fais une petite recherche...

Merci pour ta réponse.

[calculair]

Oui tu as raison, les choses ideales n'existent pas, et surtout les generateurs d'electricité sans pertes.

Je sais que l'on peut s'approcher dans des conditions speciales dans des situations ou les pertes par resistances ohmiques sont nulles ( ou quasi nulles) c'est la supra conductivité. Mais ces phénomènes sont du domaines des laboratoires specialisés. Je ne crois pas qu'ils sont actuellement disponibles hors de ces laboratoires.

Les generateurs de fortes puissances ont en principes de bons rendements. Les pertes sont de l'ordre de quelques pourcents, ( 1% à 5% ) c'est à dire que l'on fonctionne avec des rendements de 99% à 95%

Pour ce qui concerne des pertes, il y a quelques années j'ai lu que les pertes pour distribuer l'energie electrique en France etait de l'ordre de 10% de la consommation, ce qui n'est pas totalement negligeable.

Pour diminuer ces pertes, EDF à supprimer le 110Volts pour passer aux 220 Volts, puis 235 volts. Quand la tension augmente, la même puissance consommée necessite un courant plus faible car P = U I.

Les pertes etant Pertes = R I² tu vois que les pertes diminuent comme le carré du courant.

C'est aussi pour ces raisons que les lignes de transport de l'energie sur de grandes distances sont des lignes à haute tension.