Les porteurs de charge
La charge électrique élémentaire est portée par un électron ou un proton (doc 1).
Un porteur de charge aura donc une charge électrique multiple de e.
Le débit de charges
Si une charge électrique Q traverse un conducteur électrique durant un temps Δt, alors l’intensité du courant électrique est :
\( \displaystyle\mathsfit {I\ =\ \frac{Q}{\mathsf{Δ}t}}\)
\( \displaystyle\mathsf {\mathsfit{I}\ en\ \textnormal{ampères}\ (A)}\)
\( \displaystyle\mathsf {\mathsfit{Q}\ en\ \textnormal{coulombs}\ (C)}\)
\( \displaystyle\mathsf {Δ\mathsfit{t}\ en\ s}\)
L’intensité d’un courant électrique est un débit de charges électriques.
Exercice :
Quelle charge électrique Q (quantité d'électricité) aura traversé une section d'un fil conducteur pendant 30 s si l'intensité mesurée est I = 1,4 A ?
doc 1 porteurs de charges élémentaires
| charge électrique | |
| électron | - e = -1,6.10-19 C |
| proton | + e = +1,6.10-19 C |
doc 2 mouvement des ions dans une
solution de chlorure de sodium
Le sens du courant est celui des charges positives (quand elles se déplacent) (doc 2).
Le courant positif va de la borne positive vers la borne négative du générateur.
Les électrons se déplacent dans le sens contraire (exercice).
Convention générateur :
U et I ont même sens.
Un générateur est un dipôle qui fournit de l’énergie électrique au circuit. On parle de dipôle actif.
Exemple : Une pile convertit l’énergie chimique en énergie électrique, qu’elle fournit au circuit.
Convention récepteur :
U et I en sens contraires.
Un récepteur convertit l’énergie électrique reçue sous une autre forme. On parle de dipôle passif.
Exemple : Un dipôle résistif convertit l’énergie électrique en énergie thermique. Il chauffe.
La puissance d'un appareil rend compte de la vitesse à laquelle il transforme de l’électricité en... lumière, chaleur, mouvement, etc.
Si un dipôle avec une tension U à ses bornes est traversé par un courant d’intensité I, la puissance électrique mise en jeu est :
\( \displaystyle\mathsfit {P\ =\ U \times I }\)
\( \displaystyle\mathsf {\mathsfit {P}\ en\ watts\ (W)}\)
\( \displaystyle\mathsf {\mathsfit {U}\ en\ volts\ (V)}\)
\( \displaystyle\mathsf {\mathsfit {I}\ en\ ampères\ (A)}\)
Remarque 1 : Si les conventions générateur et récepteur sont respectées, alors P est un nombre positif :
- si le dipôle est un générateur, P représente la puissance fournie au circuit ;
- si c’est un récepteur, P représente la puissance reçue.
Remarque 2 : cette formule est valable pour un dipôle alimenté en courant continu, ou pour un récepteur purement résistifconducteur ohmique supposé idéal en courant alternatif.
doc 3 quelques puissances électriques
(ordres de grandeurs)
| appareil | puissance |
| ampoule LED | 10 W |
| téléviseur | 150 W |
| grille-pain | 800 W |
| radiateur | 1000 W |
| fer à repasser | 1200 W |
| lave linge | 2000 W |
| plaque de cuisson | 2200 W |
| four | 3000 W |
Exercice : Un convecteur (chauffage) électrique est branché sur le secteur, U = 230 V.
Il est traversé par un courant I = 3,2 A.
Calculer la puissance électrique de cet appareil.
L'énergie convertie et transférée par un appareil électrique est proportionnelle à la puissance P de l'appareil et à la durée d'utilisation Δt.
L’énergie convertie par un appareil pendant une durée Δt à la puissance P est :
\( \displaystyle\mathsfit {E\ =\ P \times \mathsf{Δ}t }\)
\( \displaystyle\mathsf {\mathsfit{E}\ en\ \textnormal{joules}\ (J)}\)
\( \displaystyle\mathsf {\mathsfit{P}\ en\ \textnormal{watts}\ (W)}\)
\( \displaystyle\mathsf {Δ\mathsfit{t}\ en\ \textnormal{secondes}\ (s)}\)
(doc 4) conversion d'unités
J ↔ Wh
L'unité souvent utilisée pour les énergies est le kilowattheure (kWh), (facturé 0,2 € en 2025).
1 Wh est l’énergie transférée à la puissance de 1 W pendant une heure :
1 Wh = 3600 J
1 kWh = 3,6.106 J
Exercice : Un sèche-cheveux de puissance P = 1,5 kW fonctionne pendant 10 min, soit une durée Δt = 600 s.
Quelle énergie a été consommée ?
1. en joules (J) ?
2. en kilowattheures (kWh) ?
Un dipôle ohmique est soumis à la loi d'Ohm : U = R.I. La puissance reçue, nous venons de le voir, est P = U.I
Il vient donc : P = (R.I) x I
La puissance d'un dipôle ohmique, de résistance R est :
\( \displaystyle\mathsfit {P\ =\ R \times I^2 }\)
\( \displaystyle\mathsf {\mathsfit{P}\ en\ \textnormal{watts}\ (W)}\)
\( \displaystyle\mathsf {\mathsfit{R}\ en\ \textnormal{ohms}\ (Ω)}\)
\( \displaystyle\mathsf {\mathsfit{I}\ en\ \textnormal{ampères}\ (A)}\)
L’énergie convertie en chaleur pendant Δt est :
\( \displaystyle\mathsfit {E\ =\ R \times I^2 \times \mathsf{Δ}t}\)
\( \displaystyle\mathsf {\mathsfit{E}\ en\ \textnormal{joules}\ (J)}\)
\( \displaystyle\mathsf {\mathsfit{R}\ en\ \textnormal{ohms}\ (Ω)}\)
\( \displaystyle\mathsf {\mathsfit{I}\ en\ \textnormal{ampères}\ (A)}\)
\( \displaystyle\mathsf {Δ\mathsfit{t}\ en\ \textnormal{secondes}\ (s)}\)
C'est l'effet Joule.
Exercice : Établir la relation donnant l'énergie E dissipée en chaleur par un conducteur ohmique en fonction de la tension U à ses bornes, sa résistance R et la durée d'utilisation Δt.
Rappels : U = RI et P = UI
La tension aux bornes d'un générateur idéal de tension ne dépend pas de l’intensité du courant électrique qui le traverse.
Souvent notée E (doc 5), cette tension est nommée force électromotrice (f.é.m.) du générateur.
doc 5 courbe caractéristique d'un générateur idéal de tension
La caractéristique tension-courant d’un générateur réel de tension (doc 6) est modélisée par une fonction affine décroissante.
Un tel générateur peut être modélisé par un générateur idéal de tension (f.é.m. E) en série avec une résistance interne r.
La tension à ses bornes est Ug = E - rI :
E est souvent nommée "tension à vide" car pour I = 0, Ug = E.
Noter que la résistance interne, comme toutes les résistances, subit l'effet Joule, non désiré ici.
doc 6 courbe caractéristique d'un générateur réel de tension
L’énergie fournie par le générateur est reçue par le(s) récepteur(s) qui la transforme d'un type d’énergie en un autre.
La conversion s’accompagne souvent de pertes. Un moteur électrique peut chauffer (l'énergie recherchée est mécanique, pas thermique).
Soient Putile la puissance utile convertie et Ptotale la puissance totale reçue (ou consommée). Le rendement de la conversion est :
\( \displaystyle\mathsfit {η\ =\ \frac{P_utile}{P_totale}}\)
Cette grandeur, comprise entre 0 et 1, peut s’exprimer en pourcentage. Ex. : 0,89 = 89 %
Lors d’un transfert ou d’une conversion, on peut raisonner sur l’énergie ou sur la puissance, liées par la durée du phénomène (doc 7).
\( \displaystyle\mathsfit {η\ =\ \frac{E_utile}{E_totale}}\)
doc 7 rendement d'un convertisseur d'énergie
exemple du moteur électrique
