Cours - PhyZik

Chapitre 15
Energie électrique
Acti - Ressources énergétiques renouvelables ou non
I – Relation entre puissance et énergie
La puissance est une caractéristique des appareils électriques. Elle se note 𝑃 et s’exprime en Watt, W.
Ex : Calculatrice 10-3 W, ordinateur portable 100 W, radiateur 1000 W, centrale nucléaire 109 W.
En courant continu,
𝑃 = 𝑈. 𝐼
Ex : Moteur à courant continu : tension à ses bornes 𝑈 = ⋯ … … 𝑉 , intensité du courant qui le traverse 𝐼 = ⋯ … … 𝐴.
Donc 𝑃 = 𝑈. 𝐼 = ⋯ … . . 𝑊
L’énergie électrique produite ou consommée par un appareil électrique est liée à sa durée de fonctionnement ∆𝑡 :
∆𝐸 = 𝑃. ∆𝑡
∆𝐸 en Joules, 𝑃 en Watts et ∆𝑡 en secondes.
Rq : EDF exprime l’énergie en kWh.
1𝑘𝑊ℎ = 103 𝑊. 3600𝑠 = 3,6. 106 𝐽
Supposons un ordinateur allumé 10h par jour pendant 1 an et de puissance égale à 100W.
∆𝐸 = 100.365.10.3600 = 1,31. 109 𝐽 =
1,31.109
3,6.106
= 365𝑘𝑊ℎ
avec 1 𝑘𝑊ℎ = 0,09€
II – Quelles sont les conversions énergétiques dans un circuit ?
1) Exemple de récepteur électrique : le conducteur ohmique
Acti - Caractéristiques
Caractéristique d’un conducteur ohmique : courbe 𝑈 = 𝑓(𝐼)
prix 32,85 €
𝑈
𝐼
C’est une droite d’équation :
𝑈 = 𝑅. 𝐼
Où 𝑅 est le coefficient directeur de la droite ou encore la résistance du conducteur ohmique
qui s’exprime en ohms Ω.
Exp : Une résistance est plongée dans de l’eau contenue dans un calorimètre.
La température de l’eau varie au contact du conducteur ohmique. Le transfert énergétique vers l’extérieur est
thermique. C’est l’effet Joule.
Puissance dissipée par une résistance : 𝑃𝐽 = 𝑈. 𝐼 = 𝑅. 𝐼 2
Chaine énergétique :
∆𝐸é𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑞𝑢𝑒
Conducteur
ohmique
∆𝐸𝑡ℎ𝑒𝑟𝑚𝑖𝑞𝑢𝑒
𝑈
2) Exemple de générateur électrique : la pile
Caractéristique d’une pile : courbe 𝑈 = 𝑓(𝐼)
𝐼
C’est une droite d’équation :
𝑈 = 𝐸 − 𝑟. 𝐼
Où 𝐸 est l’ordonnée à l’origine (en Volts) et 𝑟 le coefficient directeur (en ohms).
La pile s’échauffe lors de son fonctionnement. Une partie de l’énergie chimique stockée est dissipée par effet Joule.
Chaine énergétique :
∆𝐸𝑐ℎ𝑖𝑚𝑖𝑞𝑢𝑒
∆𝐸é𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑞𝑢𝑒
Pile
∆𝐸𝑡ℎ𝑒𝑟𝑚𝑖𝑞𝑢𝑒
Bilan énergétique :
∆𝐸𝑐ℎ𝑖𝑚𝑖𝑞𝑢𝑒 = ∆𝐸é𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑞𝑢𝑒 + ∆𝐸𝑡ℎ𝑒𝑟𝑚𝑖𝑞𝑢𝑒
∆𝐸𝑐ℎ𝑖𝑚𝑖𝑞𝑢𝑒 = U. I. ∆t + ∆𝐸𝑡ℎ𝑒𝑟𝑚𝑖𝑞𝑢𝑒
∆𝐸𝑐ℎ𝑖𝑚𝑖𝑞𝑢𝑒 = (𝐸 − 𝑟. 𝐼). 𝐼. ∆t + ∆𝐸𝑡ℎ𝑒𝑟𝑚𝑖𝑞𝑢𝑒
∆𝐸𝑐ℎ𝑖𝑚𝑖𝑞𝑢𝑒 − ∆𝐸𝑡ℎ𝑒𝑟𝑚𝑖𝑞𝑢𝑒 = 𝐸. 𝐼. ∆t − 𝑟. 𝐼 2 . ∆t
Donc ∆𝐸𝑐ℎ𝑖𝑚𝑖𝑞𝑢𝑒 = 𝐸. 𝐼. ∆t avec : 𝐸 force électromotrice de la pile, c’est-à-dire la tension que la pile délivrerai si elle
était parfaite.
La puissance nominale de la pile est : 𝑃 = 𝐸. 𝐼
et ∆𝐸𝑡ℎ𝑒𝑟𝑚𝑖𝑞𝑢𝑒 = 𝑟. 𝐼 2 . ∆t qui est l’énergie perdue par effet Joule liée à la résistance interne 𝑟 de la pile. Toute
l’énergie chimique stockée dans la pile n’est pas convertie en énergie électrique.
∆𝐸𝑢𝑡𝑖𝑙𝑒
Rendement : 𝜌 = ∆𝐸
𝑓𝑜𝑢𝑟𝑛𝑖𝑒
=
∆𝐸é𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑞𝑢𝑒
∆𝐸𝑐ℎ𝑖𝑚𝑖𝑞𝑢𝑒
𝑈.𝐼.∆𝑡
𝑈
= 𝐸.𝐼.∆𝑡 = 𝐸
III – Système électrique à basse consommation
Etiquettes énergie : Elles permettent de classer les appareils
électroménagers en fonction de leur rendement énergétique.
Ex : Lampes à basse consommation
Lampe à DEL
Lampe fluocompacte
Lampe à incandescence
Classe A
345 lumens
8W
25 000 h
Classe A
346 lumens
8W
6 000 h
Classe C
370 lumens
40 W
1 000 h