Fiche de révision : Énergie et circuits électriques

📋 Plan du Cours

1. Constitution et états de la matière
2. Mélanges et solutions
3. Air et pression atmosphérique
4. Mouvements et transmission de vitesse
5. Sources d’énergie et ressources renouvelables
6. Formes mécanique et nucléaire d’énergie
7. Énergie chimique et transferts
8. Conversions et économies d’énergie
9. Grandeurs et composants électriques
10. Lois et montages électriques
11. Consommation et sécurité électrique
12. Effets du courant électrique sur le corps
13. Installations et protections électriques
14. Foudre et moyens de protection
15. Signaux et transmission de l’information
16. États de la matière et investigation
17. Mouvements et mécanismes
18. Sources et transformations d’énergie

📖 1. Constitution et états de la matière

🔑 Notions clés & Définitions

• Structure lacunaire : Matière essentiellement constituée de vide.
• Ion : Atome ou groupe d’atomes qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons et qui est donc électriquement chargé.

★ À maîtriser

📌 Un solide est compact et ordonné, avec des molécules en positions fixes et une forme propre ; un liquide est compact et désordonné, sans forme propre mais de volume déterminé, et sa surface libre au repos est horizontale.

• Un gaz est dispersé et désordonné, occupe tout le volume offert et peut être comprimé.

📌 Un corps pur ne contient qu’un seul type d’atomes, d’ions ou de molécules, tandis qu’un mélange hétérogène contient plusieurs constituants chimiques différents.

• À pression atmosphérique normale, l’eau pure fond à 0 °C et bout à 100 °C ; sa fusion et sa solidification présentent un palier à 0 °C.

• Lors d’un changement d’état, la masse se conserve, mais le volume peut varier ; celui de l’eau augmente lors de la solidification.

Compléments

• Un atome mesure environ $10^{-10}\,\text{m}$ et son noyau a un diamètre d’environ $10^{-15}\,\text{m}$, soit 100 000 fois moins.

• Un atome est électriquement neutre, car les charges positives des protons et les charges négatives des électrons s’annulent.

• La molécule d’eau H₂O comprend un atome central d’oxygène relié à deux atomes d’hydrogène.

• Les changements d’état d’un corps pur sont réversibles et comprennent les transformations suivantes.

• À pression constante, la fusion, la vaporisation et la sublimation nécessitent une élévation de température et un apport d’énergie.

📌 La vaporisation se fait par évaporation à la surface du liquide à des températures ordinaires, ou par ébullition dans tout le liquide à une température précise pour un corps pur.

💡 Astuce mémo

Solide compact et ordonné, liquide compact et désordonné, gaz dispersé et désordonné

📖 2. Mélanges et solutions

🔑 Notions clés & Définitions

• Mélange homogène : Mélange dont on ne distingue pas les différents constituants.
• Solution : Mélange homogène dans lequel un constituant joue un rôle particulier, très différent des autres.

★ À maîtriser

📌 Dans une solution, le solvant est l’espèce très majoritaire, souvent l’eau, et le soluté est l’espèce dissoute dans le solvant.

• À 25 °C, au maximum 365 grammes de sel peuvent se dissoudre dans un litre d’eau ; au-delà, la solution est saturée et le sel ajouté reste solide au fond.

Compléments

• Au cours d’une dissolution, la masse totale se conserve et correspond à la somme des masses du solvant et du soluté avant dissolution.

• Les constituants d’un mélange hétérogène peuvent être séparés par les procédés suivants.

• La distillation sépare les constituants d’un mélange homogène en exploitant leurs différences de températures d’ébullition.

• Pour un mélange eau-sel, le début de solidification se produit à −3 °C avec 10 grammes de sel pour 100 grammes d’eau et à −20 °C avec 25 grammes de sel pour 100 grammes d’eau.

📖 3. Air et pression atmosphérique

🔑 Notions clés & Définitions

• Pression atmosphérique : Pression exercée par l’air sur tous les corps avec lesquels il est en contact ; sa valeur moyenne est de 1 013 hPa, soit 760 mm de mercure.

★ À maîtriser

• L’air respiré contient en volume 78 % de diazote, 21 % de dioxygène et 1 % d’autres gaz, notamment l’argon, le dioxyde de carbone, le dihydrogène et l’ozone.

• Dans une seringue, comprimer l’air en poussant le piston diminue son volume et augmente sa pression ; tirer le piston augmente le volume et diminue la pression.

Compléments

• La pression atmosphérique se mesure avec un baromètre et diminue quand l’altitude augmente.

• Sous pression normale, un litre d’air a une masse d’environ 1,29 gramme à 0 °C et d’environ 1,2 gramme à 20 °C.

📖 4. Mouvements et transmission de vitesse

🔑 Notions clés & Définitions

• Translation : Mouvement dans lequel tout segment porté par le solide reste parallèle à lui-même au cours du déplacement ; les trajectoires de tous ses points sont identiques.
• Rotation : Mouvement dans lequel les points de l’objet décrivent simultanément des arcs de cercles concentriques, de même mesure et dans le même sens, dans des plans perpendiculaires à l’axe de rotation.

★ À maîtriser

📐 Formule - Le rapport de transmission de vitesse est le rapport de la fréquence de sortie à celle d’entrée : $K = \frac{F_s}{F_e} = \frac{Z_1}{Z_2} = \frac{D_1}{D_2}$, où 1 désigne la roue menante et 2 la roue menée.

📌 Si $K>1$, le système est multiplicateur de vitesse ; si $K<1$, il est réducteur ; si $K=1$, les fréquences de rotation sont identiques.

Compléments

• Une translation n’est pas nécessairement rectiligne ; lors d’une translation rectiligne, les trajectoires des points sont rectilignes, parallèles et parcourues dans le même sens.

• Une rotation peut être complète, partielle ou aller-retour, cette dernière pouvant être alternative lorsque le sens change périodiquement.

📌 Dans un train de deux engrenages, la roue menante est directement liée à la source d’énergie, tandis que la roue menée subit le mouvement.

• La fréquence de rotation correspond au nombre de tours effectués par une roue pendant une unité de temps et s’exprime en tours par seconde ou parfois en tours par minute.

📖 5. Sources d’énergie et ressources renouvelables

★ À maîtriser

📌 Les sources d’énergie renouvelables comprennent le Soleil, le vent, l’eau des rivières et le mouvement des marées, tandis que les sources non renouvelables comprennent le charbon, le gaz et le pétrole.

📌 L’énergie solaire photovoltaïque produit de l’électricité, tandis que l’énergie solaire thermique utilise directement le rayonnement solaire pour chauffer des habitations ou de l’eau.

• L’énergie hydraulique fait tourner des turbines qui entraînent l’aimant d’un alternateur, ce qui provoque l’apparition d’une tension alternative.

Compléments

• Les éoliennes utilisent la force du vent et une éolienne peut atteindre une puissance de 6 mégawatts, mais la surface nécessaire à une production électrique de masse constitue un problème majeur.

• La biomasse produit de l’électricité par combustion directe de résidus du bois ou de l’agriculture, ou fournit du biogaz par fermentation de déchets, biogaz ensuite brûlé pour produire de l’énergie électrique.

• La géothermie exploite la chaleur de la Terre pour produire du chauffage ou de l’énergie électrique, notamment à la centrale géothermique de Bouillante en Guadeloupe.

• À 500 mètres, une éolienne n’est pas plus bruyante qu’une conversation à voix basse.

📖 6. Formes mécanique et nucléaire d’énergie

🔑 Notions clés & Définitions

• Énergie mécanique : Somme de l’énergie cinétique et de l’énergie potentielle d’un corps.
• Énergie cinétique : L’énergie cinétique est l’énergie que possède un corps en mouvement et se calcule par $E_c = \frac{1}{2}mv^2$.
• Énergie potentielle : L’énergie potentielle est une énergie de position que possède un corps situé à une certaine hauteur dans un champ de pesanteur et se calcule par $E_p = mgh$.

📝 Points essentiels

• Dans la formule de l’énergie cinétique, la masse s’exprime en kilogrammes, la vitesse en mètres par seconde et l’énergie en joules.

• Quand la vitesse est multipliée par 2, l’énergie cinétique est multipliée par 4.

• Dans la formule de l’énergie potentielle, l’intensité moyenne de la pesanteur sur Terre est $g = 9{,}81\ \mathrm{N/kg}$, la masse s’exprime en kilogrammes, l’altitude en mètres et l’énergie en joules.

• Un ressort comprimé ou étiré possède une énergie potentielle élastique, qui peut être libérée lorsqu’il revient à sa position de repos.

📖 7. Énergie chimique et transferts

🔑 Notions clés & Définitions

• Énergie nucléaire : Énergie contenue dans les noyaux des atomes et libérée lors de réactions nucléaires.
• Énergie chimique : Énergie contenue dans la matière et libérée par des réactions chimiques.
• Énergie de température : L’énergie de température, ou énergie calorique, est liée à l’agitation des atomes ou des molécules d’un corps et augmente avec sa température.

★ À maîtriser

📌 La fusion nucléaire, qui a lieu dans le Soleil, n’est pas encore utilisée dans les centrales présentées, tandis que la fission nucléaire y est exploitée en cassant des noyaux d’uranium par bombardement de neutrons.

Compléments

• La part du nucléaire dans la production électrique française se situe autour de 76 % ces dernières années.

• L’énergie électrique alimente notamment les moteurs, les systèmes de chauffage ou d’éclairage et les appareils électroniques.

📖 8. Conversions et économies d’énergie

★ À maîtriser

• Les modes de transfert d’énergie sont :
  • le rayonnement
  • le transfert thermique
  • le travail électrique
  • le travail mécanique

📌 Le transfert par rayonnement peut se produire dans le vide, contrairement au transfert thermique qui nécessite un milieu matériel.

📌 La quantité d’énergie dans l’univers étant constante, une transformation convertit une forme d’énergie en une autre sans créer ni détruire d’énergie.

📐 Formule - L’énergie fournie est égale à la somme de l’énergie utile et de l’énergie perdue : $E = E_u + E_p$.

📐 Formule - Le rendement est le rapport de l’énergie utile à l’énergie fournie : $\eta = \frac{E_u}{E}$.

Compléments

• L’électricité est à la fois une forme d’énergie et un mode de transfert, mais elle ne peut pas se stocker.

📌 Le rendement est toujours inférieur à 1 et l’on cherche à le rapprocher de 1 en minimisant les pertes.

• Un Européen consomme environ 7 000 kWh d’électricité par an et, dans un logement tout électrique, le chauffage représente en moyenne 50 % de la facture et la production d’eau chaude 17 %.

• Le givre du réfrigérateur peut augmenter de 30 % la consommation d’électricité, et un lavage à 90 °C nécessite trois fois plus d’énergie qu’un lavage à 30 °C.

• Les lampes basse consommation utilisent cinq fois moins d’énergie que les lampes à incandescence et ont une durée de vie moyenne huit fois supérieure.

• Au-delà de 18 °C, chaque augmentation de 1 °C accroît la consommation de chauffage de 7 % en moyenne, et chauffer à 22/23 °C coûte deux fois plus cher que chauffer à 15/16 °C.

• Dans une maison neuve respectant la réglementation thermique, les pertes de chaleur moyennes sont de 25 % par les murs, 20 % par le plancher, 15 % par le renouvellement d’air, 15 % par le toit et 15 % par les fenêtres et portes extérieures.

💡 Astuce mémo

Moins de pertes → rendement plus proche de 1

📖 9. Grandeurs et composants électriques

🔑 Notions clés & Définitions

• Courant électrique : Déplacement ordonné d’électrons libres dans les métaux ou d’ions dans les solutions, sous l’effet d’une tension électrique.
• Intensité électrique : L’intensité électrique mesure le débit des charges électriques et s’exprime en ampères (A).
• Résistance électrique : Opposition au passage du courant, dépendant des dimensions du conducteur et de la matière utilisée.
• Tension électrique : La tension électrique est la différence de potentiel établie par le générateur aux bornes d’une portion de circuit et s’exprime en volts (V).

★ À maîtriser

📌 Un générateur produit de l’énergie électrique à partir d’une autre forme d’énergie, tandis qu’un récepteur reçoit l’énergie électrique et la transforme en une autre forme.

• Un circuit est fermé lorsque le courant peut y circuler et ouvert lorsque le courant ne peut pas y circuler.

📌 Dans un circuit continu, le sens conventionnel du courant va du pôle + vers le pôle − à l’extérieur du générateur, tandis que les électrons libres d’un métal se déplacent en sens inverse.

📌 Un matériau conducteur autorise le passage du courant électrique, tandis qu’un matériau isolant ne l’autorise pas.

Compléments

• L’intensité se mesure avec un ampèremètre monté en série dans le circuit.

• La résistance électrique s’exprime en ohms (Ω) et se mesure avec un ohmmètre.

• La tension électrique se mesure avec un voltmètre monté en dérivation.

💡 Astuce mémo

Courant conventionnel du + vers le − ; électrons du − vers le +

📖 10. Lois et montages électriques

🔑 Notions clés & Définitions

• Court-circuit : Un court-circuit relie les bornes d’un dipôle par un simple fil conducteur; une ampoule court-circuitée n’est plus traversée par un courant et un générateur court-circuité fournit un courant très grand qui échauffe le fil.

★ À maîtriser

📐 Formule - Pour un conducteur métallique ohmique, la loi d’Ohm s’écrit $U = R \times I$.

📐 Formule - La puissance électrique d’un élément soumis à une tension U et traversé par un courant d’intensité I vaut $P = U \times I$.

📌 Dans un circuit en série, les dipôles forment une seule boucle et l’intensité est identique en tout point; dans un circuit en dérivation, chaque composant est soumis à la tension du générateur.

Compléments

📐 Formule - La puissance thermique de l’effet Joule dans un conducteur vaut $P = R \times I^2$.

📌 Dans un circuit en série, retirer ou griller un récepteur ouvre le circuit et empêche les autres récepteurs de fonctionner.

📌 Dans un circuit en dérivation, retirer ou griller un récepteur n’empêche pas les autres branches fermées de fonctionner.

• Dans une installation domestique, les lampes, appareils et prises sont montés en dérivation.

📖 11. Consommation et sécurité électrique

★ À maîtriser

📐 Formule - L’énergie électrique consommée par un appareil est le produit de sa puissance par sa durée de fonctionnement : $E = P \times t$.

• Le réseau domestique est alimenté en basse tension à 230 V en monophasé entre phase et neutre, ou à 400 V en triphasé entre les phases.

Compléments

• Un four de puissance 2 kW fonctionnant pendant 1 heure consomme 2 kWh d’énergie électrique.

• Pour limiter les pertes par échauffement lors du transport de l’électricité, la tension est élevée à la sortie des centrales puis diminuée graduellement à l’approche des consommateurs.

• Le transport triphasé permet d’économiser du câble et de diminuer les pertes par échauffement ; le neutre est disponible au dernier transformateur au point commun des enroulements secondaires couplés en étoile, et non par équilibrage des consommations sur les trois phases.

• En France, environ 160 personnes meurent chaque année par électrocution accidentelle.

📌 L’électrocution désigne le décès consécutif au passage du courant électrique dans le corps humain, tandis que l’électrisation désigne le passage du courant sans impliquer nécessairement un décès.

💡 Astuce mémo

Tension élevée → pertes en ligne réduites

📖 12. Effets du courant électrique sur le corps

★ À maîtriser

📐 Formule - La quantité d’électricité traversant le corps est le produit de l’intensité par la durée du passage : $Q = I \times T$, avec Q en coulombs, I en ampères et T en secondes ; pour obtenir Q en ampères-heures, T doit être exprimé en heures.

• À 20 mA commence la tétanisation de la cage thoracique et à 30 mA, le thorax est tétanisé.

• À 1 000 mA surviennent un arrêt cardiaque immédiat, des brûlures profondes et une décomposition chimique irréversible du sang ; au-delà de 1 000 mA, les centres nerveux sont détruits et une décomposition chimique interne se produit.

Compléments

• Pour un courant alternatif, le seuil moyen de perception est de 0,5 à 1 mA selon l’état de la peau, un courant de 8 mA provoque un choc et une réaction brutale, et 10 mA entraîne une crispation durable des muscles des membres.

• À 40 mA, la fibrillation ventriculaire limite la survie à 3 minutes, et entre 70 et 100 mA s’ajoutent des brûlures à ces effets.

• Une exposition à 30 mA pendant 5 s ou à 300 mA pendant 0,5 s donne une chance sur deux de rester en vie.

📌 La peau mouillée étant plus conductrice, une tension supérieure à 24 V est dangereuse dans ces conditions.

💡 Astuce mémo

Courant plus intense ou contact plus long → effets corporels plus graves

📖 13. Installations et protections électriques

★ À maîtriser

• Le fournisseur met à disposition la phase et le neutre derrière un compteur et un disjoncteur général, tandis que le propriétaire est responsable du reste de l’installation et de la prise de terre.

📌 Le disjoncteur général coupe toute l’installation et déclenche automatiquement lorsque la demande électrique dépasse celle correspondant à l’abonnement et à son réglage ; il faut le couper avant toute intervention.

• L’interrupteur différentiel compare en permanence les courants entrant et sortant ; si une fuite vers la terre est détectée, il ouvre le circuit concerné et coupe le courant.

📌 En cas de surintensité ou de court-circuit, le fusible fond et coupe l’alimentation ; il doit être remplacé par un fusible neuf de même calibre.

Compléments

📌 Les connexions domestiques sont organisées en dérivation, et les fils isolés par des gaines alimentent les boîtiers, les prises et certains appareils.

• Depuis 1991, le disjoncteur général de branchement doit être différentiel et avoir une sensibilité de 500 mA.

• La sensibilité actuelle des interrupteurs différentiels est de 30 mA, et ceux-ci alimentent les coupe-circuits.

• Les trois fils électriques domestiques sont :

  • la phase rouge, marron ou noire
  • le neutre bleu
  • la terre verte et jaune

💡 Astuce mémo

Le différentiel détecte les fuites ; le fusible coupe les surintensités

📖 14. Foudre et moyens de protection

★ À maîtriser

• La tension entre un nuage et le sol ou entre deux nuages peut atteindre plusieurs dizaines de millions de volts ; le champ électrique au sol passe d’environ 100 V/m en temps normal à 15 à 20 kV/m pendant un orage.

📌 Le paratonnerre, inventé par Benjamin Franklin en 1752, est une pointe métallique reliée à la terre par un câble assez gros pour conduire le courant de décharge ; il attire la foudre au lieu de l’éloigner.

📌 Pendant un orage, il faut éviter les arbres, les vastes espaces exposés et les objets pointus ; une automobile protège grâce à sa carrosserie métallique qui forme une cage de Faraday.

Compléments

• En France, la foudre provoque chaque année la mort de plus de dix personnes et d’environ 20 000 animaux, ainsi que 17 000 incendies.

• Lorsqu’un éclair frappe un bâtiment, le courant qui s’écoule dans la terre peut traverser ses éléments conducteurs et provoquer un échauffement intense ou un incendie.

📖 15. Signaux et transmission de l’information

🔑 Notions clés & Définitions

• Signal : Information source codée, émise pour être communiquée à distance à un récepteur.
• Bit : Quantité minimale d’information transmise par un signal et unité de mesure de l’information en informatique.

★ À maîtriser

📌 Un signal analogique transmet une variation de grandeur par une autre variation de grandeur, tandis qu’un signal logique ne prend que deux valeurs, vrai ou faux.

• La combinaison de signaux logiques permet la transmission de données numériques ; dans un circuit électrique, la valeur 1 correspond à vrai et à un circuit fermé, tandis que 0 correspond à faux et à un circuit ouvert.

Compléments

• Un byte est un ensemble ordonné de bits ; un groupe ordonné de 8 bits forme un octet, qui peut coder 256 valeurs différentes.

• Le débit de transmission des signaux sur des montages en série s’exprime en bits par seconde.

💡 Astuce mémo

Analogique : variation continue ; logique : vrai ou faux

📖 16. États de la matière et investigation

🔑 Notions clés & Définitions

• Évaporation : Transformation de l’état liquide à l’état gazeux de la même matière ; l’eau liquide devient de la vapeur d’eau, qui est un gaz invisible.
• Liquéfaction : Transformation inverse de l’évaporation, au cours de laquelle la vapeur d’eau devient de l’eau liquide.

★ À maîtriser

📌 L’eau liquide, la glace et la vapeur d’eau sont trois états d’une même matière, et non trois matières différentes.

📌 Pour tester l’influence d’un paramètre dans une expérience, un seul paramètre doit varier entre les deux situations comparées.

• La glace fond à 0 °C et l’eau gèle à 0 °C.

Compléments

• Les facteurs à tester pour étudier la vitesse d’évaporation sont :

  • la quantité d’eau
  • la température ambiante
  • la surface libre
  • la ventilation

• L’évaporation se produit à la surface du liquide à toute température, même sans soleil ni source de chaleur.

• Les paramètres permettant d’accélérer l’évaporation sont :

  • l’aire de la surface libre
  • la température du liquide
  • l’agitation de l’air

• À la pression atmosphérique normale, l’eau bout à 100 °C ; dans les mesures habituelles décrites, le thermomètre indique environ 96 à 98 °C en raison de conditions de mesure non optimales.

• La température de l’eau reste constante pendant l’ébullition, indépendamment de la durée du chauffage et de la puissance de la source de chaleur.

• Un mélange réfrigérant de glace et de sel se trouve à une température d’environ −15 °C et permet de refroidir l’eau jusqu’à sa solidification.

📖 17. Mouvements et mécanismes

🔑 Notions clés & Définitions

• Translation : Mouvement dans lequel un objet se déplace en glissant.
• Rotation : Mouvement d’un objet autour d’un axe.

★ À maîtriser

• Les engrenages transmettent une rotation, inversent le sens de rotation d’une roue à la suivante et modifient la vitesse selon le rapport entre le nombre de dents des roues.

• Pour deux roues dentées, le rapport entre leurs vitesses de rotation est égal au rapport entre leur nombre de dents.

• Avec des poulies reliées par une courroie, le sens de rotation s’inverse si la courroie est croisée et reste identique si elle ne l’est pas.

Compléments

• Pour deux poulies, le rapport entre leurs vitesses de rotation est égal au rapport entre leurs rayons.

• Les engrenages et les systèmes de poulies transmettent une rotation en pouvant modifier son sens, sa vitesse et son axe, tandis qu’une roue dentée et une crémaillère transforment une rotation en translation ou inversement.

• Une bielle-manivelle transforme un mouvement de rotation en va-et-vient ou un mouvement de va-et-vient en rotation.

📖 18. Sources et transformations d’énergie

★ À maîtriser

• L’énergie est nécessaire pour chauffer, éclairer et mettre en mouvement.

📌 À l’échelle d’une vie humaine, les énergies renouvelables peuvent se renouveler, tandis que les énergies fossiles ne le peuvent pas.

• Une machine transforme l’énergie qu’elle reçoit en une forme d’énergie souhaitée ; par exemple, une chute d’eau actionne une turbine qui produit de l’électricité utilisée pour l’éclairage domestique.

Compléments

• Les sources d’énergie citées sont :

  • le pétrole
  • le gaz
  • le charbon
  • l’uranium
  • le vent
  • le soleil
  • l’eau
  • la chaleur de la Terre

• Un Européen consomme environ 7 000 kWh d’électricité par an.

• Les économies d’énergie citées comprennent : l’installation d’ampoules basse consommation, le dégivrage régulier du réfrigérateur, l’enchaînement des cuissons au four, l’extinction de l’éclairage en quittant une pièce

• Les pollutions dues aux produits pétroliers dégradent la qualité de l’air et influent sur le climat par l’effet de serre ainsi que sur la biosphère par les pluies acides et les maladies respiratoires.