Les dipôles récepteurs actifs
Objectifs
À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• reconnaître un récepteur actif (moteur, électrolyseur, batterie en charge) ;
• tracer et exploiter sa caractéristique intensité-tension ;
• déterminer graphiquement sa force contre-électromotrice E' et sa résistance interne r' ;
• appliquer la loi d'Ohm relative à un récepteur actif ;
• calculer sa puissance utile et son rendement.
Prérequis : puissance et énergie électriques, effet Joule, loi d'Ohm pour un résistor, caractéristique d'un dipôle.
Situation de départ
Mohamed démonte le petit moteur d'une voiture télécommandée. À l'ohmmètre, la résistance de son bobinage vaut 4 Ω. Sous 6 V, la loi d'Ohm U = R.I prévoit donc un courant de 1,5 A... mais l'ampèremètre n'indique que 0,25 A quand le moteur tourne !
Le moteur ne se comporte donc pas comme un simple résistor. Que devient l'énergie qu'il reçoit ? Quelle loi relie U et I pour un tel récepteur ?
I. Qu'est-ce qu'un récepteur actif ?
1. Plus d'énergie que l'effet Joule seul
Reprenons le moteur de la situation de départ : en fonctionnement normal, U = 6 V et I = 0,25 A ; la résistance de son bobinage est r' = 4 Ω.
• Puissance électrique reçue : Pe = U.I = 6 × 0,25 = 1,5 W.
• Puissance dissipée par effet Joule dans le bobinage : PJ = r'.I2 = 4 × 0,252 = 0,25 W.
Le moteur reçoit six fois plus d'énergie que ce que l'effet Joule exige : la différence n'est pas transformée en chaleur.
Un récepteur actif est un récepteur qui consomme plus d'énergie électrique que n'en exige l'effet Joule dans ses conducteurs. Il transforme une grande partie de cette énergie en une forme autre que la chaleur.
2. Où va l'énergie supplémentaire ?
Quelques récepteurs actifs
| Récepteur | L'énergie électrique devient surtout | Le reste devient |
|---|---|---|
| moteur (ventilateur, perceuse, jouet) | énergie mécanique (mouvement) | chaleur (effet Joule) |
| électrolyseur (électrodes inattaquables, soude ou acide dilué) | énergie chimique (réactions aux électrodes) | chaleur |
| batterie d'accumulateurs en charge | énergie chimique stockée | chaleur |
Un résistor, un fer à repasser ou une lampe à incandescence transforment toute l'énergie reçue en chaleur (et en lumière pour la lampe) : ce sont des récepteurs passifs.
II. Caractéristique intensité-tension d'un récepteur actif
1. Le montage d'étude
On monte en série un générateur, un rhéostat (pour faire varier I), un interrupteur, un ampèremètre et le récepteur ; un voltmètre mesure la tension UAB entre ses bornes. Le courant entre dans le récepteur par la borne A.
2. Cas d'un moteur
On charge l'arbre du moteur avec une petite hélice, pour qu'il ne s'emballe pas, et on relève les couples (I, U).
• Pour de très faibles intensités, le moteur tourne mal et s'arrête facilement.
• Ensuite, les points sont alignés : c'est la zone de fonctionnement normal. La caractéristique est une portion de droite qui ne passe pas par l'origine ; on dit que le moteur est un dipôle actif linéaire.
La partie rectiligne a pour équation U = a.I + b :
• b, ordonnée à l'origine de la droite prolongée, est une tension : c'est la force contre-électromotrice (f.c.é.m.) E' du moteur, en volts ;
• a, pente de la droite, est une résistance : c'est la résistance interne r', en ohms : r' = ΔU/ΔI.
Si l'on bloque l'arbre (très brièvement !), la caractéristique devient une droite passant par l'origine, de même pente r' : le moteur bloqué n'a plus de f.c.é.m. et se comporte comme un résistor.
Sur la figure 2 : la droite coupe l'axe des tensions en E' = 5 V ; entre I = 0,3 A et I = 0,5 A, U passe de 6,2 V à 7,0 V, donc r' = 0,80,2 = 4 Ω.
Un moteur bloqué sous tension s'échauffe dangereusement : toute l'énergie reçue devient chaleur, et l'intensité est bien plus grande qu'en rotation. C'est ce qui arrive à une perceuse dont le foret se coince : il faut couper l'alimentation aussitôt.
3. Cas d'un électrolyseur
Remplaçons le moteur par un électrolyseur à électrodes inattaquables contenant une solution de soude.
• Tant que U est inférieure à une tension U0, l'intensité est presque nulle et rien ne se dégage.
• Au-delà, des bulles de gaz apparaissent aux électrodes ; après une partie courbe, la caractéristique devient rectiligne et le dégagement gazeux augmente avec I.
Dans son domaine de fonctionnement normal, l'électrolyseur obéit aussi à U = E' + r'.I : c'est un récepteur actif linéaire.
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