\chapter{Les transferts d'énergie} \label{transferts-energie}

Dans le cadre du cycle 4 vous avez à connaître le principe du transfert d'énergie et savoir analyser le comportement de tout objet servant de transformateur énergétique. Vous devez être capable de reconnaître les réservoirs d'énergie (celui qui envoie et celui qui reçoit), les formes d'énergie. Pour exprimer cela vous aurez à utiliser des chaînes d'énergie.

\begin{figure}[H]
\begin{center}
\label{chaine-energie-type}
\includegraphics[scale=0.5]{img-chaine-energie.png}
\caption{Une chaîne d'énergie abstraite et réelle avec pertes.}
\end{center}
\end{figure}

\section{Le rendement énergétique}

Tout convertisseur énergétique transforme une forme d'énergie en une autre forme d'énergie, cependant cela ne se produit pas sans pertes. L'énergie consommée par le convertisseur sera appelée énergie reçue ${{E}_{R}}$  et l'énergie fabriquée sera appelée énergie utile ${{E}_{U}}$. On pourra ainsi définir le rendement énergétique $\eta$ par la relation suivante :

\begin{equation}
	{\eta} = \frac{ {E}_{U} }{ {E}_{R} }
\end{equation}

Le rendement est une valeur comprise entre 0 et 1 ce qui n'est pas forcément compréhensible pour beaucoup de gens aussi on transforme ce nombre en pourcentage via :
 
 \begin{equation*}
 	{\eta}_{ (en \%) } = \frac{ {E}_{U} }{ {E}_{R} } \times {100}
 \end{equation*}

\textit{Note : les rendements sont toujours compris entre 0 et 1 (ou si vous préférez entre 0\% et 100\%) mais le rendement total (1 ou 100\%) est rarissime.}

\section{Les piles électrochimiques}

Les piles életrochimiques sont en effet un moyen de produire de l'énergie électrique mais en réalité elles puisent cette énergie à partir de produits hcimiques, ce sont donc des appareils qui transfèrent de l'énergie ! La chaîne d'énergie d'un tel dispositif est la suivante :

\begin{figure}[H]
\begin{center}
\label{diagramme-energie-pile}
\includegraphics[scale=0.5]{diagramme-energie-pile.png}
\caption{Chaîne énergétique avec perte d'une pile électrochimique normale}
\end{center}
\end{figure}

Ce qui montre comme vous le voyez qu'une pile ne restitue jamais la totalité de l'énergie qu'elle transforme sous forme électrique.

\section{Les centrales}

Les centrales sont toutes basées sur le même système de fonctionnement : un dispositif (four pour le charbon, le pétrole ou le gaz), une cuve immergée (pour l'uranium), fournit de la chaleur, cette chaleur fait chauffer jusqu'à vapeur de l'eau (grosse vapeur) et grosse pression, qui va entraîner directement (gaz, pétrole, charbon) ou indirectement (uranium), une turbine couplée à un alternateur. Cet alternateur va produire du courant électrique alternatif qui sera ensuite amplifié grâce à des transformateurs pour être envoyé dans le réseau électrique.

\begin{figure}[H]
\begin{center}
%\label{·}
\includegraphics[scale=0.5]{photo-maquette-centrale-thermique.png}
\caption{schéma d'une centrale thermique au charbon, gaz naturel ou pétrole. Source : Wikipedia, licence CCA, auteur : Serge Ottavia}
\end{center}
\end{figure}

Ci avant des photos de maquette ou de centrale thermique ou nucléaire.

\begin{figure}[H]
\begin{center}
%\label{·}
\includegraphics[scale=0.5]{wikipedia-centrale-nucleaire-schema.jpg}
\caption{schéma d'une centrale nucléaire. Source Wikipedia, auteur : EDF ?}
\end{center}
\end{figure}

Notez que les usines utilisant la biomasse fonctionnent sur un principe similaire, le gaz méthane utilisé pour la combustion venant de la macération de différents déchets ménagers organiques.

Ces centrales utilisent une énergie chimique qui est convertie en énergie thermique puis en énergie cinétique afin de devenir finalement une énergie électrique. Cela occasionne des pertes bien évidemment, le diagramme qui suit nous montre justement le résultat :

\begin{figure}[H]
\begin{center}
\label{chaine-energie-centrale}
\includegraphics[scale=0.5]{chaine-energie-centrale.png}
\caption{Une chaîne énergétique classique pour une centrale}
\end{center}
\end{figure}

\section{Les éoliennes}

Les éoliennes utilisent l'énergie cinétique de l'air qui se déplace (vent) afin de mettre en mouvement les pales d'une hélice reliée à des amplificateurs de rotation et à un alternateur.

Ces éoliennes sont un dispositif intéressant car l'énergie du vent est renouvelable, mais, la construction d'éoliennes nécessite cependant de la place (elles ne peuvent pas être trop proches les unes des autres ET elles sont très grandes).

\begin{figure}[H]
\label{chaine-energie-eolienne}
\begin{center}
\includegraphics[scale=0.5]{chaine-energie-eolienne.png}
\end{center}
\caption{Exemple de chaîne d'énergie pour une éolienne}
\end{figure}

\begin{figure}[H]
\label{photo-eolienne}
\begin{center}
\includegraphics[scale=0.3]{wikipedia-eolienne.png}
\end{center}
\caption{une éolienne terrestre, source wikipedia, licence CCA, auteure AnnaTallulah}
\end{figure}

\section[Les conducteurs ohmiques et leur conversion d'énergie]{Les conducteurs ohmiques et leur conversion d'énergie \\ L'effet Joule.}

\begin{quote}
	\textbf{Les conducteurs ohmiques convertissent l'énergie électrique reçue de la part du générateur.} Cela se produit suivant la chaîne énergétique :
\end{quote}

\begin{figure}[H]
\label{chaine-energie-resistance}
\begin{center}
\includegraphics[scale=0.5]{chaine-energie-resistance}	
\end{center}
\caption{Chaîne d'énergie d'un conducteur ohmique}
\end{figure}	

\subsection*{L'effet joule}

\label{Effet_joule}
L'effet joule est l'élévation de la température d'un conducteur électrique lorsque celui-ci est traversé par du courant électrique, il va échanger alors de l'énergie thermique avec l'environnement. Attention cependant : trop de courant risque de faire fondre le conducteur qui peut déclencher un incendie.

\begin{figure}[H]
\begin{center}
\label{schema-exp-effet-joule}
\includegraphics[scale=0.5]{effet-joule-experience.png}
\caption{Exemple d'expérience pour étudier l'effet joule.}
\end{center}
\end{figure}	

Dans cette expérience le thermomètre peut être manuel ou électronique, mais il doit atteindre au moins les 100 \ensuremath{^{\circ}}C. La résistance est en fait le thermoplongeur qui est branché sur une prise électrique murale. Le chronomètre a été dessiné analogique mais il pourrait aussi être électronique. La prise de mesures avec 0,5 L d'eau du robinet dans un récipient en verre Pyrex\ensuremath{^{©}} donne les résultats du tableau de mesure qui suit pendant les 5 minutes de la durée d'expérience.	

Tableau des mesures expérimentales pour un conducteur ohmique de résistance ${R = 4 \Omega}$ :

\begin{table}[H]
\label{table-effet-joule}
\begin{center}
\begin{tabular}{| l | c | c | c | c | c | c |}
	\hline
	durée (min) depuis le début de l'expérience & 0 & 1 & 2 & 3 & 4 & 5 \\
	\hline
	température ${^{\circ}}$C & 19 & 22 & 29 & 42,5 & 61 & 76 \\
	\hline
\end{tabular}
\caption{Tableau des résultats expérimentaux d'un exemple d'effet Joule avec un conducteur ohmique de résistance ${R = 4 \Omega}$}
\end{center}
\end{table}

\begin{center}
\begin{tikzpicture}
\begin{axis}[
    title={\Large{Effet Joule}},
    xlabel={Temps (s)},
    ylabel={température \ensuremath{^{\circ}} C},
    xmin=0, xmax=5,
    ymin=0, ymax=100,
    xtick={0,1,2,3,4,5},
    ytick={0,20,40,60,80,100},
    xmajorgrids=true,
    xminorgrids=true,
    ymajorgrids=true,
    yminorgrids=true,
    grid style=dashed,
]
\addplot[
    color=blue,
    mark=square,
    ]
    coordinates {
    (0,19.0)(1,22.0)(2,29)(3,42.5)(4,61.0)(5,76)
    };
\end{axis}
\end{tikzpicture}
\end{center}
	
	Exemples d'applications dans la vie courante : radiateurs électriques d'appoint, sèche-cheveux chauffant, fer-lissant, grille-pain, four électrique, fer à repasser ...

\section{Les panneaux photovoltaïques / cellules solaires}

Les panneaux photovoltaïques utilisent l'énergie lumineuse issue du soleil en énergie électrique. Ces panneaux utilisent l'effet photoélectrique\footnote{L'effet photoélectrique a été découvert par Einstein et lui a valu le prix Nobel de physique en 1921.} afin de produire une tension électrique à partir des photons\footnote{La lumière est une entité physique extraordinaire, elle possède la curieuse particularité d'être à la fois une onde et une particule. Dans les études scientifiques le phénomène est appelé dualité onde-particule.} reçus du soleil.

\begin{figure}[H]
\begin{center}
\label{photo-panneau-solaire}
\includegraphics[scale=0.35]{image-panneau-solaire.png}
\caption{Un panneau solaire contenant des cellules photovoltaïques, source wikipedia, licence CCA, auteur Pelerin}
\end{center}
\end{figure}

\section{Les barrages}

Les barrages convertissent l'énergie de position de l'eau en énergie cinétique dans des conduites forcées, puis en énergie électrique au moyen d'un couple turbine-alternateur.

L'eau est retenue derrière un mur (barrage) inondant malheureusement un écosystème derrière elle, afin d'accumuler assez de hauteur et donc de pression, puis, des conduits vers la base de ce mur sont ouvert ce qui fait que l'eau peut s'échapper par eux et avoir beaucoup de force pour entraîner les pales des turbines qui sont à l'intérieur faisant tourner l'axe du couple turbine-alternateur et produisant ainsi de l'électricité.

\begin{figure}[H]
\begin{center}
\label{img-barrage}
\includegraphics[scale=0.5]{barrage-hydroelectrique.png}
\caption{Le barrage de Donzere-Mondragon, source wikipedia, licence libre, auteur Iguanebobo}
\end{center}
\end{figure}

\section{Les hydroliennes}

Une hydrolienne est une turbine couplée à un alternateur totalement immergés qui produit une énergie électrique à partir du courant marin et de son énergie cinétique.

\begin{figure}[H]
\begin{center}
\label{img-hydroliennes}
\includegraphics[scale=0.5]{wikipedia-hydroliennes.png}
\caption{Différentes sortes d'hydroliennes, source wikipedia, licence CCA / Libre, auteurs sel (CCA) Feldoncommon (CCA) Frankgg (CCA) Ocean Flow Energy LTD (Libre)}
\end{center}
\end{figure}

\section{Le principe physique sous-jacent et les objets techniques insérés}

Les centrales, les barrages et mes hydroliennes et les éoliennes utilisent toutes le même objet appelé turbine couplé avec un alternateur. La turbine est un objet simple : ce sont des pales accrochées perpendiculairement à un axe qui va tourner et entraîner l'objet intéressant appelé l'alternateur.

La turbine (pour faire simple) n'est qu'une hélice qui va être mise en mouvement par le fluide qui s'écoule (l'air pour les éoliennes, l'eau pour le reste), un axe va alors être partagé entre la turbine ET l'alternateur.

L'alternateur quant à lui est un moteur électrique utilisé à l'envers, l'axe (entraîné par la turbine) fait tourner un ensemble de bobines autour de lui, ces bobines sont donc en rotation dans un environnement entouré d'électroaimants. Au final à la sortie une tension électrique sinusoïdales est produite.

\subsection{L'induction électromagnétiques}

\begin{figure}[H]
\begin{center}
%\label{•}
\includegraphics[scale=0.5]{image-factice.png}
%\caption{•}
\end{center}
\end{figure}

\subsection{Le transformateur électrique et ses rôles} \label{transfo-electrique}

Un transformateur électrique transforme de l'électricité (alternative au moins, sinusoïdale c'est encore mieux) en électricité (sinusoïdale) en passant d'énergie électrique vers de l'énergie électromagnétique (magnétique) puis à nouveau à de l'énergie électrique entre un circuit entrant (circuit primaire) et un circuit sortant (circuit secondaire) isolés électriquement l'un de l'autre.

Les éléments qui comptent dans un tel circuit sont la tension du circuit primaire (entrée) $u_1$, la tension du circuit secondaire (sortie) $u_2$, le nombre de spires du circuit primaire $N_1$ et le nombre de spires du circuit secondaire $N_2$. On appelle "k" le rapport $ k = \dfrac{N_2}{N_1}$ et la tension de sortie est donnée par la relation suivante :

\begin{equation*}
	u_2 = \dfrac{N_2}{N_1} u_1 = k \times u_1
\end{equation*}

\textit{Vous aurez noté que j'ai utilisé des "u" et non des "U" car ... la tension de sortie est sinusoïdale (donc non constante), mais au collège vous pourrez quand même utiliser un "U" quand même sans qu'on vous explique pourquoi.}

Le médiateur magnétique est un circuit magnétique fermé (souvent torique) et feuilleté (afin d'éviter le phénomène des courants de Foucault\footnote{On appelle courants de Foucault les courants électriques créés dans une masse conductrice, soit par la variation au cours du temps d'un champ magnétique extérieur traversant ce milieu (le flux du champ à travers le milieu), soit par un déplacement de cette masse dans un champ magnétique. (Extrait de Wikipedia) Ces courants de Foucault ont des applications connues telles que le freinage électromagnétique (bus, car, camion) ou encore le chauffage par induction.})

\begin{figure}[H]
\begin{center}
\label{schema-transfo-electrique}
\includegraphics[scale=0.4]{wikipedia-transformateur.png}
\caption{Fonctionnement transformateur, source wikipedia, auteur BillC, licence CCA}
\end{center}
\end{figure}

Un transformateur électrique peut avoir 3 rôles suivant le bobinage des circuits primaires et secondaires\footnote{On retrouve la relation $ \dfrac{U_1}{N_1} = \dfrac{U_2}{N_2} $ car le flux magnétique est ce qui est conservé} :

\begin{itemize}
	\item Il peut être élévateur de tension, dans ce cas la tension de sortie est plus élevée que celle d'entrée, $k > 1$, c'est ce qu'on retrouve à l'arrière des TV à l'ancienne (tubes cathodiques) pour alimenter ce qui s'appelle le canon à électrons, ou bien à la sortie des centrales électriques pour élever la tension avant son transport sur de longues distances
	\item il peut être abaisseur de tension, dans ce cas la tension de sortie est plus faible que celle d'entrée, $k < 1$, c'est le cas de la majorité des chageurs électriques ou des blocs d'alimentation de vos ordinateurs fixes.
	\item il peut être isolateur de tension si le nombre est identique, ce qui est utilisé à ce moment là c'est un circuit débarrassé de la Terre du fournisseur d'énergie.
\end{itemize}