3e – 9 – Puissance et énergie électrique

9.1. Utiliser le courant électrique

Les appareils domestiques ou industriels utilisent l’électricité pour chauffer ou faire tourner un moteur.
D’une façon générale, l’expérience montre que le passage du courant, qu’il soit continu ou alternatif, dans un circuit électrique, provoque l’échauffement des conducteurs.

Ce phénomène est appelé l’effet Joule (James Prescott Joule, physicien anglais – 1818-1889)

L’effet Joule est l’une des principales causes des pertes en lignes lors du transport de l’électricité. Dans tous circuit électrique, une partie de l’énergie fournie est transformée en chaleur en pure perte, ce qui limite l’efficacité des appareils et risque de les détériorer. Il est alors nécessaire d’adapter un dispositif permettant d’évacuer cette chaleur. Le ventilateur des ordinateurs ou des appareils de projections en est un exemple.

Cependant, il est mis à profit dans les appareils chauffant tels que radiateurs, plaques de cuisson, fer à repasser… Dans chacun de ces exemples l’élément principal de l’appareil électrique est une résistance (un conducteur ohmique) et toute l’énergie reçue est transformée en chaleur par effet Joule.

9.2. Puissance électrique

Lors de l’achat d’un appareil électrique, il faut regarder deux indications : la tension nominale (tension à laquelle l’appareil doit fonctionner) et la puissance électrique qu’il consomme dans ces conditions.

Activité

Expériences :

  • On branche différentes lampes sur un générateur et on compare la puissance lumineuse avec la puissance indiquée sur les lampes.

La puissance électrique reçue par un dipôle quelconque en courant continu est égal au produit de la tension U à ses bornes par l’intensité I du courant qui le traverse.

L’unité de puissance est la Watt (symbole W).

P = U x I (P en W, U en V, I en A.)

Quelques ordres de grandeurs du Watt (multiples et sous-multiples) :

  • Les gigawatts correspondent à l’ordre de grandeur des puissances fournies par les centrales électriques
  • La motrice du TGV peut avoir une puissance de quelques mégawatts
  • La puissance disponible dans un logement va de 3 à 12 kilowatts
  • La puissance consommée en électronique est de quelques milliwatts
Activité

Expériences :

  • Nous réalisons un circuit comprenant un générateur, un ampèremètre, une ampoule aux bornes de la quelle nous mesurons la tension. Le circuit est réalisé avec des ampoules de puissances diverses.

Pour chaque ampoule nous mesurons la tension et l’intensité et nous déterminons la puissance.

Aux erreurs expérimentales prés, le produit U x I est égal à la puissance P indiqué sur les ampoules.

Remarque : Plus l’intensité augmente, plus la lampe devient lumineuse, son fonctionnement est normal dans le domaine de puissance proche de la valeur donnée par le constructeur. Au-delà de cette zone, le filament est blanc, la lampe brille trop fortement, et cela risque de limiter sa durée de vie.

La puissance inscrite sur l’appareil est la puissance nominale : puissance consommée par l’appareil lorsqu’il fonctionne sous sa tension nominale.

Exemples en courant alternatif : 

lampe Radiateur Sèche-cheveux Moulin à café Perceuse
U (V) 230 230 230 230 230
I (A)
U x I (W) 100 1000 1600 125 1250

(faire calculer par les élèves)

Calcul de l’intensité maximale :

Une surintensité peut provoquer un échauffement dangereux. Il faut donc protéger les installations. Le calcule de l’intensité maximale permet donc de connaître le nombre d’appareils susceptibles de fonctionner en même temps sur une même ligne et les caractéristiques des appareils de protection (fusibles, disjoncteur), de la ligne d’alimentation et des prises à utiliser.

9.3. Energie électrique

L’énergie électrique E consommée par un appareil de puissance P constante est égal au produit de sa puissance par la durée t de fonctionnement. En physique, l’unité d’énergie du système international est le joule (J).

E= P x t   (E en joule (J), P en Watt (W), t en seconde (s))

En pratique, la durée d’utilisation d’un appareil s’évalue plutôt en heures. l’unité d’énergie est alors le wattheure de symbole Wh.

Le compteur électrique mesure en kWh, la consommation totale d’énergie électrique d’une installation.

Sa face avant indique le type de tension distribuée (tension alternative de fréquence 50 Hz, de valeur efficace 230 V). L’alimentation se fait à partir d’une phase et du neutre (monophasé 2 fils) et peut débiter jusqu’à 60 A. Chaque tour de disque correspond à une certaine énergie consommée.

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