Puissance et énergie électrique
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1 GEL Chapitre 4 : Puissance et énergie Chapitre 4 : Puissance et énergie 4.1. la puissance électrique 240 V 50 W 240 V 100 W 240 V 75 W exemple des lampes dont l'éclairement change avec la puissance indiquée, on dit la puissance nominale, mais la tension nominale ne change pas 4.1.1. Définition : la puissance reçue par un dipôle fléchée en récepteur auquel on applique une tension u et qui est traversé par un courant d'intensité i vaut P=u.i unités : le watt (W) si u est en volts (V) et i est en ampères (A) Si P > 0 W le dipôle est récepteur. Si P < 0 W le dipôle est générateur. Exemple : une batterie de 12 V alimentant une lampe qui est alors traversée par un courant de 2 A fournit 12 x 2 = 24 W Ordres de grandeur des puissances électriques 1mW = 0,001 W = 10-3 W 1W 100 W 500 W 736 W 1kW = 1000 W = 10+3 W 300 kW 1MW = 1 000 000 W = 10+6 W 1 GW = 10+9 W Lycée Louis Armand - MULHOUSE Physique Appliquée - HASSENBOEHLER composants électroniques, les piles, les diodes, … la lampe de poche, … appareils vidéo, télévision, PC, … une personne qui travaille dur ! un cheval-vapeur (1 CV) l'électroménager, chauffage électrique, les machines électriques : moteurs, alternateurs, … puissance moyenne d'un gros camion un avion, une locomotive, un TGV, … une centrale nucléaire page 1 1 GEL Chapitre 4 : Puissance et énergie 4.1.2. Cas des résistances linéaires rappel du chapitre 2 : P = u . i = R . i2 = = u2 puis Umax = R Pmax R Pmax.R et Imax = exemple : calculer Umax et Imax pour un résistor 470 Ω, ½ W 4.1.3. Mesurage d'une puissance P en régime continu montage voltampèremétrique avec un ampèremètre et un voltmètre i i A i i P = u.i dipôle récepteur u V u générateur dipôle récepteur u à l'aide d'un wattmètre A i i A * W V u * * W V générateur i * dipôle récepteur u u un wattmètre a deux circuits indépendants : le circuit courant entre les bornes A et * qui mesure l'intensité du courant i le circuit tension entre les bornes V et * qui mesure la tension u il indique le calibre du circuit courant et le calibre du circuit tension Exercice : un wattmètre de calibre 240 V, 5 A a 120 divisions et l'aiguille s'arrête sur la division 100. Calculer la puissance que consomme le dipôle récepteur. déviation le wattmètre mesure P = nombre de divisions x calU x calI 100 = 120 x 240 x 5 = 1000 W = 1 kW Lycée Louis Armand - MULHOUSE Physique Appliquée - HASSENBOEHLER W 240 V 5 A page 2 1 GEL Chapitre 4 : Puissance et énergie 4.2. L'énergie électrique 4.2.1. Définition : un appareil reçoit de l'énergie s'il est capable de fournir un travail mécanique ou de la chaleur W=u.i.t Unités : le joule (J) si u est en volts (V), i est en ampères (A) et t en secondes (s) Autres unités : le kilowattheure (kWh) utilisé par le fournisseur d'énergie électrique rappelons que u.i est la puissance en watts (W) 1 kWh correspond à 1000 x 3600 joules = 3 600 000 J l'électronvolt (eV) utilisé par les physiciens nucléaires 1 eV = 1,6 x 10-19 J la tonne équivalent pétrole (tep), la tonne équivalent charbon (tec), … exemple : mon téléviseur consomme 50 W et reste allumée toute une journée il consomme W = P.t = 50 x 24 x 3600 = 4 320 000 J l'EdF me facture W = P.t = 50 x 24 = 1200 Wh = 1,2 kWh et si le kWh coûte 0,12 €, coût = 1,2 x 0,12 = 0,144 € W Autre définition de la puissance : comme W = P.t on a P = t . Retenons alors que : La puissance est l'énergie reçue ou fournie en une seconde. Lycée Louis Armand - MULHOUSE Physique Appliquée - HASSENBOEHLER page 3 1 GEL Chapitre 4 : Puissance et énergie 4.2.2. L'énergie se trouve sous différentes formes : - électrique W=P.t=u.i.t (J) (W) (s) (V) (A) (s) - mécanique, hydraulique - solaire, rayonnante - thermique, géothermique (les pompes à chaleur) - nucléaire - chimique 4.2.3. L'énergie électrique en fonction de la quantité d'électricité traversant un dipôle Q=i.t donc W=u.i.t=u.Q. (J) (V) (A) (s) (V) (C) 4.2.4. L'effet Joule : Un résistor de résistance R traversé par un courant i transforme en chaleur toute l'énergie électrique qu'il reçoit i générateur u R énergie W dissipée par effet Joule dans le résistor W = R . i2 . t Lycée Louis Armand - MULHOUSE Physique Appliquée - HASSENBOEHLER page 4 1 GEL Chapitre 4 : Puissance et énergie 4.3. La conservation de l'énergie 4.3.1.Principe de la conservation de l'énergie d'un système isolé On attribue à Lavoisier la maxime « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme ». Il a découvert en procédant à une fermentation, qu'il y a une égale quantité de matière avant et après l'opération. En d'autres termes : l'énergie reçue par un système est égale à l'énergie restituée par ce système Wabs Wut appareil ou système énergie absorbée énergie perdue énergie utile Wabs = Wut + wp wp W puis, si on divise les énergies W par le temps de fonctionnement t, on a la puissance t = P Wa t = Pabs appareil ou système puissance absorbée puissance perdue Wu t = Put puissance utile Pa = Pu + pertes Wp t = pertes 4.3.2. Cas du générateur u = E - Ri pour un générateur i R.i2.t et en multipliant par i on trouve R u E.i E générateur Lycée Louis Armand - MULHOUSE Physique Appliquée - HASSENBOEHLER ui = Ei - Ri2 u.i utilisation soit Put = Pabs - pertes La puissance utile fournie par un générateur est la puissance absorbée diminuée les pertes par effet Joule page 5 1 GEL Chapitre 4 : Puissance et énergie 4.3.3. Cas du récepteur i R.i2.t u = E + Ri pour un récepteur et en multipliant par i on trouve R u ui = Ei + Ri2 u.i E générateur E.i soit Pabs = Put + pertes La puissance absorbée par un récepteur est la puissance utile augmentée les pertes par effet Joule. récepteur 4.3.4. Le rendement η d'un système Put η = Pabs η (se dit "éta") est la lettre grecque qui désigne le rendement Exemple : Un moteur absorbe un courant de 14 A lorsqu'il est alimenté sous 230 V. Il fournit une puissance mécanique de 3000 W. Calculer son rendement. solution : le moteur absorbe de l'énergie électrique Pabs = 230 x 14 = 3220 W Put 3000 le rendement vaut alors : η = P = 3220 = 0,932 = 93,2 % abs En effet le rendement s'exprime souvent en %. % est comme "divisé par cent" 93,2 % signifie que si le moteur absorbe 100 W, il produit 93,2 W d'utiles : 100 W Lycée Louis Armand - MULHOUSE Physique Appliquée - HASSENBOEHLER moteur 93,2 % 93,2 W page 6 1 GEL Chapitre 4 : Puissance et énergie 4.4. Conséquences de l’effet JOULE A l’instant t = 0 seconde, je ferme l’interrupteur K 100 °C K puis, toutes les secondes, je mesure la température θ (lettre grecque « thêta ») 0 °C θ en degrés Celsius (°C). R t(s) 0 θ(°C) 20 1 60 2 84 3 98 4 5 6 7 8 9 10 106 111 115 117 118 119 119 Traçons la courbe donnant la température θ (°C) en fonction du temps t (s) : 3 2 1 θa est la température ambiante θé est la température d’équilibre 1 À la fermeture de K, toute l’énergie électrique W = Ri2t sert à chauffer R. 2 De 1 seconde à 6 secondes, R chauffe et commence à dissiper de la chaleur dans l’air. 3 À partir de 7 secondes, toute la chaleur est dissipée dans l’air, R ne chauffe plus. On peut diminuer la température d’équilibre avec un ventilateur ou avec un dissipateur thermique (heatsink) L’effet JOULE est soit un avantage (appareils utilisés pour le chauffage) soit un inconvénient (pertes dans les appareils) Lycée Louis Armand - MULHOUSE Physique Appliquée - HASSENBOEHLER page 7
