Transporter la production électrique de la centrale nucléaire de Cattenom avec moins de 5% de perte. Recherches prélimin

2. Problématique : • Transporter la production électrique de la centrale nucléaire de Cattenom avec moins de 5% de perte. • Recherches préliminaires : • Puissance fournie par la centrale • Tension utilisée pour le transport • Distance entre Cattenom et Houdreville • Prérequis : • Etude du courant électrique

3. Le courant continu Un courant est un flux d'électrons. Pour que ces électrons puissent se déplacer, il faut que les électrons soient libres. On trouve des électrons libres, en général, dans les métaux, ce sont des conducteurs. En absence d'électrons libres, les matériaux seront appelés isolant. La couche périphérique d'un atome ne peut pas posséder plus de huit électrons. Les propriétés électriques dépendent des électrons de la couche périphérique. Les bons conducteurs ont leur dernière couche incomplète. Ils céderont facilement leurs électrons. Argent, or, cuivre, aluminium, fer, carbone..... Les isolants ont leur dernière couche saturée ou presque saturée. Ils accepteront peu d'électrons. Mica, silicone, huile, porcelaine, plastique, verre, air sec.. Certains matériaux ont autant d'électrons à prendre qu'à donner pour avoir leurs couches saturées. Ces matériaux portent le nom de semi-conducteurs : silicium, germanium, arséniure de gallium

4. Mise en mouvement des électrons libres : le courant électrique Pour mettre en mouvement des électrons libres il faut : un circuit conducteur fermé une pompe à électrons appelée générateur L'intensité du courant électrique est la quantité d'électricité traversant une section droite du conducteur en une seconde L'intensité d'un courant s'exprime en Ampères (symbole A) Représentation d'un générateur chimique (la pile, l'accumulateur) Une pile est un convertisseur d'énergie chimique en énergie électrique. Ce type de générateur est représenté par deux traits parallèles dont le plus petit représente le pôle moins (-). Ce symbole représente 1 élément soit 1,2V à 4V, pour obtenir d'autres tensions, on peut brancher ces éléments en série.

5. Représentation d'un générateur chimique (la pile, l'accumulateur) Type U0 Pile saline alcaline Accumulateur plomb Accumulateur Ni-MH AccumulateurLithium 1,5V 2,2V 1,2V 3,7V Ces générateurs sont limités dans leurs caractéristiques électriques. Leurs caractéristiques électriques se modifient dans le temps.

6. Générateur réel (pile accu) : Plus le courant est important, plus la tension sera faible. Exemple U = 12V Générateur parfait de tension. Il se différencie du générateur précédent par le fait qu'il fournit une tension stable et constante quel que soit le courant demandé. Exemple E = 5V Générateur de courant. Sa caractéristique est de fournir un courant fixe quel que soit l'endroit où il est connecté. Ex I=2A

7. Mesure de l'intensité d'un courant L'intensité d'un courant se mesure à l'aide d'un ampèremètre placé en série dans le circuit. Remarques très importantes C'est le récepteur qui limite le courant I dans le circuit. L'ampèremètre ne peut en aucun cas être considéré comme un récepteur. La présence d'un ampèremètre ne modifie rien aux caractéristiques du montage. Les bornes d'un ampèremètre sont équivalentes à un court circuit. Soit un circuit électrique fermé comportant une dérivation.

8. La valeur indiquée par l'ampèremètre mesurant I est la somme des valeurs indiquées par les ampèremètres mesurant I1 et I2. I = I1 + I2 C’est la loi des noeuds Loi des nœuds : La somme des courants qui arrivent à un nœud est égale à la somme des courants qui partent. I I = I1 + I2 + I3

9. Loi des nœuds : La somme des courants qui arrivent à un nœud est égale à la somme des courants qui partent. Si toutes les flèches sont entrantes ou sortantes, cela signifie qu’il y a une erreur de fléchage, ou qu’un courant est négatif

10. Différence de potentiel Le VOLT (V) est la différence de potentiel que subit une charge de 1 coulomb pour produire un travail de 1 joule. Représentation schématique d'une différence de potentiel (ddp) Ddp U = VBA = VB-VA Ddp U = VAB = VA-VB VA = 0 Ddp U = VBA = VB-VA = VB Ddp U = VAB = VA-VB = -VB

11. Mesure d'une différence de potentiel La différence de potentiel se mesure à l'aide d'un voltmètre branché en dérivation dans le circuit. Le voltmètre mesure la ddp U aux bornes du générateur. Mais U est aussi la différence de potentiel aux bornes du circuit. U1 est la différence de potentiel mesurée aux bornes du récepteur 1 U2 est la différence de potentiel mesurée aux bornes du récepteur 2 Le voltmètre ne perturbe pas le circuit. L'énergie consommée par le voltmètre est nulle I=0 La valeur indiquée par le voltmètre mesurant U est la somme des valeurs indiquées par les voltmètres mesurant U1 et U2. E = U = U1 + U2

12. Résistance électrique Lorsqu'un générateur est branché aux extrémités d'un circuit conducteur, les électrons libres placés dans le champ électrique qu'il produit, subissent une force qui provoque leur déplacement d'ensemble. Mais les atomes sont animés sur place de vibrations (agitation thermique) et les électrons libres ont des difficultés à se faufiler entre les atomes, d'où une RÉSISTANCE à leur déplacement. Une résistance se mesure en Ohm symbole: Ω (oméga) Sans agitation thermique Aucune résistance à leur déplacement Supraconductivité Avec une agitation thermique Résistance à leur déplacement

13. Différence de potentiel aux bornes d'une résistance. Loi d'Ohm Une résistance électrique est comparable à un étranglement du circuit électrique fermé. Le courant d'électrons perd une certaine énergie pour vaincre l'obstacle qu'il rencontre en B. On constate en B une accumulation d'électrons. Le potentiel en B est plus faible qu'en A. Il existe entre A et B une différence de potentiel U. Si on relève, pour différentes valeurs de I, les valeurs correspondantes de U, on s'aperçoit que U et I sont directement proportionnels. On note R le coefficient de proportionnalité liant U à I L'Ohm (Ω) est la résistance électrique d'un conducteur qui est le siège d'une différence de potentiel de 1V lorsqu'il est traversé par un courant de 1A

14. Résistivité Conducteurs Isolants Rigidité Argent ρ = 1.46 10-8Ω.m    Air ρ = infini 3MV/m Cuivre ρ = 1.7 10-8Ω.m    Verre ρ = 9 1018Ω.m 10MV/m Or ρ = 2.44 10-8Ω.m    Mica ρ = 1017Ω.m 70MV/m Aluminium ρ = 2.5 à 4.510-8Ω.m    Porcelaine ρ = 1016Ω.m 6MV/m Tungstène ρ = 5.6 10-8Ω.m    Silicone ρ = 1016Ω.m 40MV/m Mercure ρ = 95 10-8Ω.m    Téflon ρ = 1016Ω.m 10MV/m Fer ρ = 10-7Ω.m    Huile ρ = 1014 Ω.m 10MV/m Carbone ρ = 20 à 80 10-6Ω.m    Papier sec ρ = 5 1013Ω.m 5MV/m La résistance électrique d'un conducteur homogène est directement proportionnelle à sa longueur, inversement proportionnelle à sa section, et dépend de sa nature : ρ est un coefficient dépendant de la nature du corps ; il est appelé résistivité.

15. Puissance électrique Par définition, la puissance est le travail effectué en 1 seconde. (P en Watt) 1 Watt = 1 Joule par seconde Pour mesurer une puissance de durée limitée on utilise le Joule J Exemples Puissance d’une lampe (constante dans la durée) P = 100 W (en Watt) Puissance d’un flash (durée 0,1s) P = 100 x 0,1 = 10 J Soit 100W durant 0,1s

16. Le kilowattheure (symbole : kWh) est une unité pratique de mesure d'énergie valant 3,6 mégajoules. Elle est surtout utilisée pour mesurer l'énergie électrique. C'est l'énergie consommée par un appareil d'une puissance égale à un kilowatt 1000W fonctionnant pendant une heure (1 kilowatt × 1 heure). Le prix public TTC d'un kWh d'électricité en France en 2011 est de 0,12 € (6kW +83€ abonnement)

17. Rendement Dans la nature,rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme… Dans une résistance, la puissance est transformée en chaleur. P absorbée = U.I Si la puissance dissipée est utile, elle sera appelée Pu (puissance utile) Sinon, elle sera appelée Pj : perte joule (puissance perdue) P = RI2 Le rendement est le rapport entre la puissance utile et la puissance absorbée Dans ce cas P utile = P absorbée Le rendement est de 100% En %

18. Rendement Exemple d’un moteur électrique : La puissance absorbée = U I La puissance Utile (Pu) = puissance mécanique La puissance perdue, est perdue en chaleur = Pj (pertes joule) P absorbée = Pertes joule + P Utile P Utile = P Absorbée - Pertes joule

19. Rendement exemples : Résistance chauffante : 100% Petit moteur électrique : 15 à 50% Gros moteur électrique : 70 à 98%

20. Rendement exemples : Petit transformateur électrique : 15% à 40% Gros transformateur électrique : 80% à 95% Bloc alimentation électronique : 90%

21. Rendement des lampes Lampe à incandescence de 2 à 4% De 10 à 15 lumens par Watt Lampe fluorescente électronique : de 15 à 20% Environ 65 lumens par Watt Lampe Halogène de 5% à 8% De 15 à 20 lumens par Watt Lampe à DEL blanche de 20 à 30% De 80 à 130 lumens par Watt

22. Câbles EDF souterrains 63 kV Câbles 400-500 kV

23. Générateurs récepteurs Le Générateur Le courant est dans le même sens que la flèche tension Le récepteur Le courant est dans le sens opposé à la flèche tension

24. Règle de la loi des mailles On flèche correctement les tensions etcourants. On choisit un sens de parcours arbitraire pour la maille. On décrit la maille dans le sens choisi et on écrit que la somme algébrique des tensions est nulle en respectant la convention suivante : Si la flèche tension est rencontrée par la pointe, la tension est négative. Si la flèche tension est rencontrée par le talon, la tension est positive. E - U1 - U2 =0 E - R1I - R2I = 0 E = I ( R1 + R2)

25. Règle de la loi des mailles

26. Règle de la loi des mailles Maille 1 : E – R1I – R2I2 = 0 Maille 2 : R2I2 – R3I4 – R4I4 = 0 Maille 3 : E – R1I – R3I4 – R4I4 = 0

27. Force électromotrice fem Une pile (neuve) E=1,5V r=0,5Ω Icc=3A Accumulateur E=2V r=0,01Ω Icc=200A Dynamo E=6V r=0.6Ω Icc=10A Les générateurs du type chimique, tournant peuvent se modéliser sous la forme : générateur parfait, résistance interne. Aucun générateur n’est parfait.  Il possède un générateur parfait E appelé force électromotrice fem en série avec une résistance interne r. Cette résistance interne r est indissociable du générateur. La tension en sortie du générateur est U = E - rI Si la résistance interne, r est très faible par rapport à la charge branchée, sur le générateur, on pourra considérer la tension U = E et représenter ce générateur comme un générateur parfait, nommé E du nom de sa force électromotrice. Le courant de court circuit Icc est donc égal à  E/r Exemples

28. Groupement de résistances I est commun Groupement en série : Re = R1+R2+R3+…+Rn Re Lorsque plusieurs résistances sont montées en série, la somme des résistances donne la valeur équivalente Re. Re est TOUJOURS plus grande que la plus grande valeur de résistance… Groupement en parallèle : U est commun Re Lorsque plusieurs résistances sont montées en parallèle, la somme de l’inverse des résistances, donne la valeur de l’inverse de la résistance équivalente Re. Re est TOUJOURS plus petit que la plus faible valeur de résistance… Produit Somme Pour 2 résistances…