Transporter l'énergie sous forme électrique

ACTIVITES

A0. Le transformateur.

A01. Composition.

$\bullet$ Le transformateur est un appareil électrique permettant de modifier les caractéristiques d'une tension.

$\bullet$Il est constitué d'un noyau permettant de canaliser le flux magnétique dû aux bobines enroulées autour.

$\bullet$Au primaire, la bobine est constituée de N1 spires, le courant entrant est noté $I_1$, et la tension à ses bornes et $U_1$.

$\bullet$Au secondaire, la bobine est constituée de N2 spires, le courant entrant est noté $I_2$, et la tension à ses bornes et $U_2$.

A02. Schématisation.

A1. Caractéristiques de la tension en sortie d'un transformateur.

A11. Réaliser le montage ci-dessous.

$\bullet$ Faire valider.

A12. Observations et mesures.

$\bullet$ Relever sur la fiche technique du transformateur les nombres de spires $N_1} et $N_2$ au primaire et au secondaire.

$\bullet$ En utilisant les représentations graphiques :

- Déterminer les tensions maximales $U_{1 \ max}$ et $U_{2 \ max}$ au primaire et au secondaire.

- En déduire les tensions efficaces $U_{1 \ eff}$ et $U_{2 \ eff}$ correspondantes.

- Déterminer les fréquences $f_1$ et $f_2$ de chaque tension.

A13. Exploitation.

$\bullet$ Comparer le rapport $\dfrac{U_{1 \ max}}{U_{1 \ max}}$ au rapport $m \ = \ \dfrac{N_1}{N_2}$

$\bullet$ Comparer les fréquences $f_1$ et f_2$.

A14. Validation.

Un transformateur est dit parfait si $\dfrac{U_{1 \ max}}{U_{1 \ max}} \ = \ \dfrac{N_1}{N_2}$ à 1% près.

$\bullet$ Conclure

A2. Réduire les pertes en ligne.

Ginette effectue un stage dans une compagnie produisant de l'énergie.

Elle ne comprend pas pourquoi l'électricité est transportée en très haute tension.

Gérard, son maître de stage lui explique brièvement que c'est pour limiter les pertes dues à l'effet Joule.

A21. Montage.

$\bullet$ Dans la situation de Ginette, à quoi correspond la valeur "$33 \ \Omega$" sur le montage ci-dessus ?

A22. Mesures et analyse.

$\bullet$ Quel est le rôle du premier transformateur ?

$\bullet$ Quel est le rôle du deuxième transformateur ?

$\bullet$ Etudier la situation sans aucun transformateur.

$\bullet$ Etudier la situation sans le premier transformateur.

$\bullet$ Etudier la situation sans le second transformateur.

A23. Validation.

$\bullet$ Que dire de la supposition de Ginette ?.

A24. Conclusion.

COURS

C1. Puissance et énergie dissipées par effet Joule.

C11. Principe.

C11a. Puissance.

$\bullet$ L'effet Joule est le dégagement créé par le passage d'un courant électrique d'intensité efficace I au travers d'un conducteur ohmique de résistance R.

$\bullet$L'effet Joule induit donc une perte d'énergie dans le transport de l'électricité.

$\bullet$La puissance P dissipée sous forme de chaleur est :

$\bullet$ $P$ : puissance en Watts (W)

$\bullet$ $R$ : résistance en Ohms ($\Omega$)

$\bullet$ $I$ : intensité en Ampère (A)

C11a. Energie.

La puissance correspond à une quantité d'énergie consommée pendant un temps donné :

$\bullet$ $E$ : énergie en Joules (J)

$\bullet$ $P$ : puissance en Watts (W)

$\bullet$ $t$ : temps en secondes (s)

C12. Cas d'un conducteur ohmique.

Enoncé de la loi d'Ohm

La tension efficace $U$ aux bornes d'un conducteur ohmique (résistor), est proportionnelle à l'intensité efficace $I$ qui le traverse. Le coefficient de proportionnalité est la résistance $R$ de ce conducteur.

$\bullet$ $U$ : Tension en Volts (V)

$\bullet$ $R$ : Résistance en Ohms ($\Omega$) (A)

$\bullet$ $I$ : Intensité en Ampères (A)

Conséquence :

$\bullet$ Toute la puissance électrique P reçue par un conducteur ohmique est dissipée par effet Joule :

$\bullet$ $P$ : Puissance en Watts (W)

$\bullet$ $U$ : Tension en Volts (V)

$\bullet$ $R$ : Résistance en Ohms ($\Omega$) (A)

$\bullet$ $I$ : Intensité en Ampères (A)

$\bullet$ L'énergie dissipée par effet Joule s'écrit donc :

$\bullet$ $E$ : Energie en Joules (J)

$\bullet$ $U$ : Tension en Volts (V)

$\bullet$ $R$ : Résistance en Ohms ($\Omega$) (A)

$\bullet$ $I$ : Intensité en Ampères (A)

$\bullet$ $t$ : Temps en secondes (s)

Remarque : dans le cas où le temps est exprimé en heures, l'énergie s'exprime en Wattheure (Wh) : $1 \ Wh \ = \ 3600 \ J$

C2. Le transformateur.

C21. Description.

Le transformateur est un appareil électrique permettant de modifier les caractéristiques d'une tension.

Il est constitué d'un noyau permettant de canaliser le flux magnétique dû aux bobines enroulées autour.

Au primaire, la bobine est constituée de $N_1$ spires, le courant efficace entrant est noté $I_1$, et la tension efficace à ses bornes et $U_1$.

Au secondaire, la bobine est constituée de $N_2$ spires, le courant efficace entrant est noté $I_2$, et la tension efficace à ses bornes et $U_2$.

C22. Rapport de transformation.

C22a. Définition.

$\bullet$ Le rapport de transformation $m$ est défini par : $m \ = \ \dfrac{N_1}{N_2}$

NB : C'est une grandeur sans unité.

$\bullet$ Dans le cas d'un transformateur parfait, dans lequel les pertes sont négligeables, on a : $m \ = \ \dfrac{N_1}{N_2} \ = \ \dfrac{U_1}{U_2} \ = \ \dfrac{I_2}{I_1} \ = $

C22b. Symbolisation.

Le transformateur se schématise ainsi :

ou

C22c. Types de transformateurs.

$\bullet$ Si $m \ < \ 1$ : alors, $U_2 \ < \ U_1$. Le transformateur est un abaisseur de tension.

$\bullet$ Si $m \ > \ 1$ : alors, $U_2 \ > \ U_1$. Le transformateur est un élévateur de tension.

$\bullet$ Si $m \ = \ 1$ : alors, $U_2 \ = \ U_1$. Le transformateur est un transformateur d'isolement.

C3. Le transport et distribution.

$\bullet$L'électricité produite à la sortie d'une centrale (nucléaire, éolienne, hydraulique, thermique, photovoltaïque) est acheminée sur de très longues distances à des lignes à Très Haute Tension (225 kV et 400 kV).

$\bullet$Des transformateurs permettent d'élever, puis d'abaisser la tension lors de la distribution.

$\bullet$La tension disponible aux bornes d'une prise domestique est la tension secteur. C'est une tension alternative sinusoïdale de fréquence 50 Hz et de tension efficace de 230 V.