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Qu'est-ce que la force électromotrice dans les circuits électriques ?
Toutes les sources de tension créent une différence de potentiel, fournissant un courant lorsqu'elles sont connectées à un circuit avec une résistance. Cette différence de potentiel produit un champ électrique qui agit sur les charges comme une force, provoquant le passage du courant.
Malgré son nom, la force électromotrice n'est pas exactement une force. En fait, il s'agit d'un type unique de différence de potentiel qui se mesure en volts (V).
Nous pouvons également définir la force électromotrice comme le travail W effectué par unité de charge Q, ce qui nous donne l'équation suivante :
\[\varepsilon = \frac{dW}{dq}\]
Pense à une batterie.
- Si la batterie fournit du courant, la tension aux bornes de la batterie est inférieure à la force électromotrice. Au fur et à mesure que la batterie s'épuise, ce niveau de tension commence à diminuer.
- Lorsque la batterie est complètement épuisée et qu'elle ne fournit plus de courant, la tension aux bornes delabatterie est égale à la force électromotrice.
Comment calculer la force électromotrice ?
Nous pouvons également calculer la force électromotrice (ε) à l'aide de l'équation ci-dessous :
\[\varepsilon = \frac{E}{Q}\]
E représente l'énergie électrique en joules (J), et Q est la charge en coulombs (C).
Dans cette équation, la différence de potentiel est appelée différence de potentiel aux bornes. Elle sera égale à la force électromotrice s'il n'y a pas de résistance interne. Cependant, ce n'est pas le cas avec les alimentations réelles car il y a toujours une résistance interne. Lesvolts perdus correspondent à l'énergie dépensée par coulomb en surmontant la résistance interne.
Nous savons que la conservation de l'énergie est apparente dans les circuits électriques, et qu'elle est également valable pour les cas où il y a une résistance interne.
Volts perdus est le nom donné à l'énergie dépensée par coulomb en surmontant la résistance interne. N'oublie pas non plus de consulter nos explications sur la conservation de l'énergie.
EMF et résistance interne
Comme nous l'avons vu, les piles ou les batteries sont des sources de CEM, mais elles ont aussi leur propre résistance. Cette résistance est connue sous le nom de résistance interne. Nous pouvons considérer que les piles ou batteries réelles sont composées d'une source idéale de CEM connectée à une résistance en série. Cette résistance représente la résistance interne de la source. Nous savons déjà que la résistance de charge (également appelée résistance externe) est la résistance totale des composants d'un circuit électrique externe. En revanche, la résistance interne est la résistance à l'intérieur de la source d'alimentation qui s'oppose au passage du courant. Elle est généralement à l'origine de la chaleur dégagée par la source d'énergie.
- Résistance de charge = la résistance totale des composants d'un circuit électrique externe.
- Résistance interne = la résistance à l'intérieur de la source d'énergie qui s'oppose au passage du courant.
Mesure de la résistance interne
Loi d'Ohm
D'après la loid'Ohm, nous savons que
\[V = I \cdot R\]
où V est la tension en volts, I est le courant en ampères et R est la résistance externe en ohms.
Résistance interne
Si nous incluons la résistance interne, la résistance totale sera R+r où la résistance interne est représentée par r, et la tension peut être exprimée par la force électromotrice (ε).
\[\varepsilon = I \cdot (R + r)\]
Si tu développes les parenthèses, tu obtiendras
\[\varepsilon = I \cdot R + I \cdot r\]
où I⋅R est la différence de potentiel aux bornes en volts, et I⋅r est la perte de volts (également mesurée en volts).
Nous pouvons maintenant réarranger l'équation comme suit .
\[\varepsilon = V_R + V_r\]
oùVR est la différence de potentiel entre les bornes et Vr est la tension perdue.
Relation entre la différence de potentiel aux bornes et les volts perdus
Voici la relation entre la différence de potentiel aux bornes et les volts perdus. Tu peux voir dans l'équation que s'il n' y a pas de résistance interne (donc pas de volts perdus), la résistance aux bornes sera égale à la force électromotrice.
\[V_R = \varepsilon - V_r\]
La résistance interne (r) a un comportement complexe.Reprenonsl'exemple de notre batterie. À mesure que la batterie s'épuise, sa résistance interne augmente. Mais quels sont les autres facteurs qui influencent la résistance interne ? Voici quelques facteurs :
- La taille de la source de tension.
- La quantité et la durée de son utilisation.
- L'ampleur et le sens du courant qui traverse la source de tension.
Mesurer la FEM et la résistance interne d'une pile
Le calcul de la résistance interne d'une source est un facteur important pour obtenir un rendement optimal et faire en sorte que la source fournisse une puissance maximale au circuit électrique. Voici quelques exemples de calcul de différentes quantités avec la résistance interne.
Rappelle-toi que R correspond à la résistance de la charge et r à la résistance interne.
Une batterie a une emf de 0,28V et une résistance interne de 0,65Ω. Calcule la différence de potentiel aux bornes lorsque le courant qui traverse la batterie est de 7,8mA.
Solution
La force électromotrice (ε), la résistance interne (r) et le courant (I) qui traverse la pile sont indiqués dans la question.Mettons-lesdans l'équation de la différence de potentiel aux bornes (VR).
\[V_R = \varepsilon - V_r = 0,28V - (0,65 \Omega \cdot 7,8 \cdot 10^{-3} A)\]
\N- [V_R = 0,275 V\N]
Une cellule est traversée par 0,45A avec une résistance interne de 0,25Ω. Trouve l'énergie gaspillée par seconde sur la résistance interne en joules.
Solution
Nous savons que
\[P = I^2 \cdot R\]
où P est la puissance en watts, I est le courant en ampères et R est la résistance en ohms.
Puisque la question demande l'énergie gaspillée par seconde, nous utilisons l'équation de la puissance parce que la puissance est l'énergie par seconde. Nous pouvons également mettre la résistance interne r pour résistance dans l'équation.
\[P = I^2 \cdot r\]
\N- [P = 0,45^2 A \Ncdot 0,25 \NOmega = 0,05 W\N]
Une batterie a une force électromotrice de 0,35V. Le courant qui traverse la batterie est de 0,03A, et la résistance de la charge est de 1,2Ω. Trouve la résistance interne de la batterie.
Solution
La valeur emf(ε) de la batterie, le courant (I) qui traverse la batterie et la résistance de la charge (R) sont tous donnés dans la question. C'est la bonne équation à utiliser pour trouver la résistance interne (r) :
\[\varepsilon = I \cdot R + I \cdot r\].
Mettonsles variables données dans l'équation :
\[0,35V = 0,03 A \cdot 1,2 \Omega + 0,03 A \cdot r\].
Si nous résolvons l'équation pour r, nous obtiendrons \N(r = 10,47 \NOmega\N).
Force électromotrice et résistance interne - Principaux points à retenir
- La force électromotrice n'est pas exactement une force : c'est un type unique de différence de potentiel qui se mesure en volts.
- S'il n'y a pas de courant, la tension aux bornes de la source de tension sera égale à la force électromotrice.
- Les volts perdus sont le nom donné à l'énergie dépensée par coulomb en surmontant la résistance interne.
- La résistance interne est la résistance à l'intérieur de la source de tension qui s'oppose au passage du courant et provoque généralement la production de chaleur par la source de tension.
- La résistance interne d'une source de tension dépend de diverses conditions, notamment de la fréquence d'utilisation, de la taille de la source de tension, de l'intensité et du sens du courant qui traverse la source de tension.
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