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9 exercices sur l’effet Joule, la puissance électrique et le rendement.
par Bernard Vuilleumier
Extrait de l’ouvrage Électricité, de J.-A. Monard, Bienne 1976.
Effet Joule
Le passage d’un courant dans un conducteur produit un dégagement de chaleur. On donne à celui-ci le nom d’effet Joule. Le travail effectué par le champ électrique lors du déplacement d’une charge q est égal au produit de la charge par la tension relative au chemin qu’elle parcourt.
Le champ transporte une charge It le long d’un chemin entre les extrémités duquel il y a une tension U = RI. Calculons l’énergie dégagée pendant un temps t dans une résistance R traversée par un courant I :
Ce travail correspond à une apparition d’énergie cinétique des particules, c’est-à-dire à une apparition d’énergie thermique. Il y a simultanément disparition d’énergie électrique.
Rép. 40.3 Ω
Exercice 2
Un générateur a une tension électromotrice de 6 V et une résistance interne de 2 Ω. Quel est le courant maximum qu’il peut débiter ? On le branche sur une résistance de 10 Ω. Quelle est la chaleur dégagée en 1 minute dans cette résistance ?
Rép. 3 A, 150 J.
Exercice 3
On a deux petites lampes électriques sur lesquelles il est écrit 8 V, 1W. On dispose d’un accumulateur de 20 V dont la résistance intérieure est négligeable. On monte en série ces deux lampes, une résistance R et la source de courant. Calculez la valeur de R pour que les lampes fonctionnent normalement. Que vaut le rendement du système ?
Rép. 32 Ω, 80 %.
Exercice 4
Une plaque chauffante consomme 2400 W. Elle est branchée sur le réseau. Quelle est sa résistance ? Combien de temps met-elle pour amener 10 litres d’eau de 10 à 100 °C si les pertes sont négligeables ?
Rép. 20.17 Ω, 1571 s.
Exercice 5
La capacité calorifique d’un fer à repasser est de 200 cal/°C. Son corps de chauffe a une résistance de 60 Ω. On suppose qu’il n’y a pas de perte de chaleur. Durant combien de temps ce fer doit-il être branché sur une tension de 220 V pour passer de 20 à 130 °C ? Comment ce temps est-il modifié si le fer est branché sur une tension de 110 V ?
Rép. 114 s, 457 s.
Rép. 26 Ω, 8.46 A.
Exercice 7
On branche un générateur dont la tension électromotrice vaut U et la résistance interne r sur une résistance extérieure R qu’on fait varier. Calculez la puissance dissipée dans la résistance extérieure en fonction de U, r et R. Quelle doit être la valeur de la résistance extérieure R pour que la puissance qui s’y dégage soit maximale ?
Rép. R = r.
Exercice 8
Un moteur est branché sur le réseau. Il est traversé par un courant de 3.5 A et il fournit une puissance mécanique de 1 CV. Calculez la tension contre-électromotrice, la résistance interne et le rendement du moteur. Que vaudrait le courant qui traverserait le moteur si on le bloquait et que la tension à ses bornes demeurait égale à 220 V ?
Rép. 210 V, 2.86 Ω, 95 %, 77 A.
Exercice 9
On maintient constante et égale à 30 V la tension aux bornes d’un moteur. La résistance du bobinage vaut 5 Ω. En régime normal, le courant traversant le moteur vaut 1 A. Quelle est la tension contre-électromotrice et la puissance mécanique ? Que vaut le rendement du moteur ?
Rép. 25 V, 25 W, 83 %.