L`énergie électrique

Chapitre 5- L'énergie électrique
Mesurer l'énergie
A- L'énergie
orsque l'on étudie les sciences de la nature, deux grands axes de raisonnement
s'imposent : la matière et l'énergie. Ces deux derniers représentent
respectivement ce qui compose la matière et ce qui la fait fonctionner (comment
c'est fait, comment ça marche). S'il est facile de voir et de toucher la matière, il en est
cependant autrement pour l'énergie. On ne peut pas voir l'énergie. Toutefois, on
peut en voir les effets.
L
L'énergie est ce qu'un corps doit posséder afin de maintenir son fonctionnement
ou afin de se transformer. L'énergie peut présenter différents visages. L'énergie se
présente essentiellement sous trois formes : l'énergie de déplacement (cinétique pour
les objets et radiante pour les ondes électromagnétiques), l'énergie de réserve
(potentielle) et l'énergie thermique (liée aux mouvements moléculaires). L'énergie
peut changer de forme. Un skieur descend un pente : son énergie potentielle
gravitationnelle devient de énergie cinétique : il est moins haut et avance plus vite.
Dans le système de mesure SI,
l'énergie est mesurée en joules (J).
Un joule est l'énergie nécessaire pour
soulever une petite pomme sur une
hauteur d'un mètre. Il existe de
nombreuses unités permettant de
mesurer l'énergie : le kilowatt-heure
(kWh), le british thermal unit
(BTU), la petite calorie et la grande
calorie... Si autant d'unités existent,
cela reflète sans doute l'importance
accordée à l'énergie par les humains.
Symbole : E
Unité SI : 1 joule = 1 J
En résumé...
En outre, l'énergie peut se manifester de différentes manières, selon les
phénomènes mis en cause. Les phénomènes liés aux mouvements ou aux transformations n'impliquant pas de
changement moléculaire mettent en évidence l'énergie mécanique. La collision d'une automobile est une
transformation de ce type. Les changements de matière, comme la combustion d'une bûche, durant lesquels on
observe des changements moléculaires soulignent l'énergie chimique. Enfin, ceux où les changements observés
touchent la nature même des atomes font appel à l'énergie nucléaire. Ajoutons pour terminer l'énergie électrique
ne mettant en cause que le déplacement des charges électriques sans transformation de la matière.
Énergie mécanique
énergie de mouvement ÿ
énergie de position ou de déformation ÿ
Énergie chimique
énergie de liaison des
d'une
Énergie nucléaire
énergie de liaison des
du
En général, tout revient à une des trois formes précédentes. Ajoutons...
Énergie radiante
énergie possédée par tout rayonnement (spectre électromagnétique : ondes
radios/micro-ondes/IR/lumière visible/UV/rayons X et γ)
Énergie thermique
énergie due aux mouvements d'
formant la matière : c’est la chaleur.
des molécules
Lecture p.142
Fais une première lecture de votre compteur électrique
sur les cadrans de la question 11 (p.7)
Exercices
1.
Chacun des objets suivants transforme l'énergie d'une forme à une autre. Identifie ces formes.
a)
grille-pain
ÿ
b)
cellule photoélectrique
ÿ
c)
moteur automobile
ÿ
d)
tube fluorescent
ÿ
e)
générateur électrique
ÿ
f)
moulin à vent
ÿ
g)
chargeur à piles
ÿ
h)
émetteur radio
ÿ
i)
muscle
ÿ
j)
cellule photoélectrique
ÿ
k)
four solaire
ÿ
l)
thermocouple
ÿ
B- La puissance
itius, altius, fortius. Plus vite, plus haut, plus fort. C'est la devise olympique.
L'épreuve représentant le mieux le « fortius » est sans doute l'haltérophilie. Les
plus forts des haltérophiles sont capables de soulever plus de 250 kg à bout de
bras. Cependant, n'importe qui est capable d'en faire autant : il n'y a qu'à ne pas
essayer de soulever cette masse d'un seul coup mais d'y aller kilogramme par
kilogramme. Évidemment, c'est moins spectaculaire. En haltérophilie, la performance
consiste à tout lever d'un seul coup. Pour pouvoir le faire, il faut être capable de
dépenser beaucoup d'énergie d'un seul coup... il faut être puissant. Ainsi, la puissance
n'est rien d'autre que le rapport de l'énergie dépensée au temps requis pour la
dépenser.
C
P : puissance (W)
E : énergie dépensée (J)
∆t : temps nécessaire pour dépenser l'énergie (s)
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La puissance...
...représente la quantité d'énergie
dépensée ou fournie en un temps
donné. On le mesure en watts. Un
watt est la puissance équivalente èa la
dépense d'une énergie d'un joule une
seconde.
Symbole : P
Unité SI : 1 watt = 1W
C- L'énergie électrique
'électricité est une façon commode de transmettre de l'énergie. C'est propre, il n'y a pas de carburant à
manipuler et le fonctionnement en est simple et sécuritaire... de jeunes enfants peuvent facilement allumer
une lampe. La plupart du temps, c'est le mouvement des électrons dans les fils électriques (le courant) qui
transmet l'énergie. On peut considérer les électrons comme des « camions à énergie ». Évidemment, comme les
électrons sont beaucoup trop petits pour être pratiques, on les regroupe en unités plus grandes : les coulombs.
L
Le courant électrique étant le nombre de coulombs traversant un point de circuit en un temps donné, la
quantité d'énergie transportée est donc liée au courant électrique. Le voltage représente la quantité d'énergie
transportée par chacun des coulomb. Ainsi, la quantité d'énergie véhiculée par un courant dépend du courant
électrique et de la tension. De plus, la tension est égale au produit de la résistance d'un élément par le courant y
circulant. On sait également que la puissance est le rapport de l'énergie dépensée par unité de temps.
E : Énergie dépensée ou fournie par un élément de circuit (J)
U : Tension aux bornes de l'élément (V)
I : Courant circulant dans l'élément (A)
∆t : Durée d'utilisation de l'élément (s)
R : Résistance de l'élément de circuit (Ω)
P : Puissance développée par l'élément de circuit (W)
Le kilowatt-heure
Lorsqu'à chaque mois, on reçoit le compte d'Hydro-Québec, on est facturé sur la quantité d'énergie électrique que
l'on a utilisé. Cette dernière est déterminée en kilowatt-heure. Le kilowatt-heure est une unité d'énergie.
E = P·∆t
1 J = 1 W · 1s
(1 J = 1 Ws)
3600 J = 1 W · 3600 s
3600 J = 1 W · 1 h
3 600 000 J = 1000 W · 1 h
3 600 000 J = 1 kW · 1 h
3 600 000 J = 1 kWh
La consommation d'un appareil électrique
La loi oblige les fabricants d'appareils électriques à y apposer une fiche signalétique. On retrouve sur cette fiche au
moins trois informations: la fréquence et le type de courant, le voltage et une façon de déterminer l'énergie consommée par l'appareil (P ou I).
Lecture
p.203-204
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Exercices
1.
Quelle énergie est consommée par une ampoule de 100 W fonctionnant durant 2h45 ?
2.
Un petit calorifère est branché dans un circuit ordinaire. Quel courant
circule dans ce calorifère lorsqu'il est en opération ?
60Hz 125V 750W
3.
Quelle est l'énergie dépensée par un grille-pain fonctionnant pendant 2 minutes et dans lequel circule un
courant de 6 ampères ?
4.
Une bouilloire électrique ordinaire utilise une énergie de 270 kJ pendant 5 minutes pour faire bouillir une
certaine quantité d'eau. Quel courant électrique circule dans la bouilloire ?
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5.
Tous les jours, tu utilises durant 10 minutes un séchoir à cheveux de 1500 W. Quelle énergie consomme ce
séchoir durant un mois ?
6.
Le circuit électrique alimentant la prise de courant d'un comptoir de cuisine est protégé par un fusible de
20 A. Tu branches une bouilloire de 1200 W et un four à micro-ondes de 1500 W. Le circuit est-il capable de
supporter les deux appareils fonctionnant simultanément ?
7.
Combien de kilowatt-heure sont dépensés par un moteur de 5 kW fonctionnant 6 heures ?
E=
P=
∆t =
8.
Détermine le coût annuel de l'utilisation du réfrigérateur dont la fiche
est la suivante, considérant que la moitié du temps, le moteur du
réfrigérateur ne fonctionne pas.
115V 60Hz 7,9A
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9.
Fais la lecture du compteur électrique aux dates indiquées
Date de la lecture: 14 janvier 2010
E1 =
Date de la lecture: 15 mars 2010
E2 =
Calcul de la consommation électrique.
E = (E 2 - E 1) × mult. =
=
Complète la facture suivante à partir de ces données.
10.
Quel est le coût mensuel (30 jours) pour la cuisson des déjeuners d'une personne, sachant que le grille pain
de 800 W est utilisé 2 minutes à chaque matin et que la cafetière (dans laquelle circule 4 A) est utilisée 30
minutes chaque matin ? Ces appareils sont branchés sur des prises 125 V. Le coût d'un kilowatt-heure est de
5,45 ¢.
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11.
Évalue la facture d’électricité de votre maison.
Date de la lecture :
12.
Date de la lecture :
On fabrique une bouilloire. Quelle devrait être la résistance de l'élément chauffant équipant la bouilloire ?
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La génératrice...
D- La production de l'énergie électrique
'énergie ne peut être créée à partir de rien. De la même manière, l'énergie ne être
réduite à rien. Ceci se retrouve dans la loi de Joule, également nommée la loi de la
conservation de l'énergie. Cette loi précise que dans un système isolé, la quantité
totale de l'énergie reste constante. Ainsi, lorsque l'on désire produire de l'énergie
électrique, on ne peut pas produire cette énergie à partir de rien, mais on doit
transformer une forme d'énergie déjà existante.
L
... est formée d'un rotor (roue mobile)
tournant à l'intérieur d'un stator
(structure immobile). En tournant, le
rotor subit une variation des champs
magnétiques générés par le stator.
Cela induit un courant électrique
dans le rotor. C'est ainsi que l'on
produit le courant électrique.
De nombreux phénomènes naturels créent des mouvements, c'est-à-dire
fournissent de l'énergie cinétique. Il ne suffit alors que de transformer cette énergie
cinétique en énergie électrique. Pour ce faire, il n'y a qu'à mettre en marche une génératrice. Une turbine est un
élément mécanique dont le rôle est de transformer un
mouvement en rotation. La turbine est mise en marche
par un mouvement naturel ou provoqué. Elle transmet
ensuite ce mouvement à une génératrice laquelle
produit l'électricité. C'est presque toujours ainsi que
l'on produit l'électricité. Ce qui change d'une méthode à
l'autre, c'est la façon de faire tourner la turbine.
ACTION
AVANTAGES
DÉSAVANTAGES
Centrales therm iques au charbon
La combustion du charbon permet de
produire de la vapeur qui actionne
une génératrice.
ÿcombustible peu coûteux et facile à exploiter
ÿbeaucoup de charbon
ÿémettent beaucoup de polluants responsables de
pluies acides et contribuent à l'effet de serre
Centrales therm iques au m azout
La combustion de l'huile (mazout)
permet de produire de la vapeur qui
actionne une génératrice.
ÿfacile à exploiter
ÿpeut être installée n'importe où
ÿle coût d'exploitation dépend du prix du pétrole
ÿréserves de pétroles limitées
ÿémettent beaucoup de polluants contribuant aux
pluies acides et à l'effet de serre
Centrales therm ique nucléaires (fission)
La fission de noyaux d'uranium (ou
Pu) dégage de la chaleur qui permet
de produire de la vapeur qui actionne
une génératrice.
ÿgrande quantité d'énergie produite à partir d'une
source relativement petite
ÿquantité de déchets relativement faible
ÿpas de combustion (gaz à effet de serre)
ÿproduction assez risquée
ÿdéchets radioactifs dangereux
ÿtraitement des déchets difficile
ÿcentrales très coûteuses
Centrales therm iques solaires
Le rayonnement solaire permet de
produire de la vapeur qui actionne
une génératrice.
ÿpas de pollution chimique
ÿénergie inépuisable
ÿsource d'énergie gratuite (Soleil)
ÿdoivent être construites à des endroits où l'ensoleillement est fort et régulier
ÿpeu fiables (ne fonctionnent pas la nuit et mal lorsqu'il y a des nuages)
ÿles miroirs récepteurs doivent bouger constamment
pour «suivre» le Soleil.
ÿlignes de transport peuvent être longues
Centrales géotherm iques
La chaleur interne du sol permet de
produire de la vapeur qui actionne
une génératrice.
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ÿpas de pollution chimique
ÿénergie renouvelable
ÿsource d'énergie gratuite (chaleur terrestre)
ÿdoivent être construites dans des régions ayant un
gradient géothermal élevé (régions volcaniques)
ÿrisques de tremblements de terre
ÿlignes de transport peuvent être longues
ACTION
AVANTAGES
DÉSAVANTAGES
Centrales hydroélectriques
Le mouvement de l'eau descendant
une pente actionne une génératrice.
ÿpas d'émission de gaz ni de chaleur
ÿénergie renouvelable
ÿsource d'énergie gratuite (mouvement de l'eau)
ÿdoivent être à proximité de chutes d'eau
ÿgrands réservoirs de retenu
ÿpollution provenant des roches immergées
ÿlignes de transport peuvent être longues
ÿouvrages très coûteux
Éoliennes
Le mouvement de l'air (vent)
actionne une génératrice.
ÿpas de pollution chimique
ÿénergie renouvelable
ÿsource d'énergie gratuite (vents)
ÿdoivent être à des endroits où le vent est régulier
ÿpeu fiables (vents variables)
ÿlignes de transport peuvent être longues
Centrales m arém otrices
Le mouvement de l'eau descendant à
un niveau plus bas (action des marées) actionne une génératrice.
ÿpas de pollution chimique
ÿénergie renouvelable
ÿsource d'énergie gratuite (marées)
ÿdoivent être construites en bord de mer
ÿdifficulté à avoir une production continue
ÿmodification du milieu marin local
ÿlignes de transport peuvent être longues
Hydroliennes
Le mouvement d'un courant marin
actionne une hélice immergée,
actionnant une génératrice
ÿpas de pollution chimique
ÿénergie renouvelable
ÿsource d'énergie gratuite (courants)
ÿproduction relativement constante
ÿdoivent être construites en bord de mer
ÿmodification du milieu marin local
ÿlignes de transport peuvent être longues
ÿrisques potentiels à la navigation maritime
Centrales houlom otrices
Le mouvement de la houle actionne
un dispositif actionnant une petite
génératrice
ÿpas de pollution chimique
ÿénergie renouvelable
ÿsource d'énergie gratuite (vagues)
ÿdoivent être construites en bord de mer
ÿproduction relativement faible et irrégulière
ÿlignes de transport peuvent être longues
ÿrisques potentiels à la navigation maritime
Hydrogène - Centrales therm onucléaires
La fusion de noyaux d'hydrogène dégage de la chaleur, laquelle permet
de produire de la vapeur qui actionne
une génératrice.
ÿénergie inépuisable (hydrogène inépuisable)
ÿpollution probablement peu importante
ÿtechnique non maîtrisée
(pas avant .2050)
Hydrogène - Pile à com bustible
La réaction entre l'hydrogène et
l'oxygène permet de produire un
courant électrique
ÿfiable
ÿpropre (produit de l'eau)
ÿhydrogène inépuisable
ÿdifficile d'extraire l'hydrogène de la molécule d'eau
ÿdifficile de stocker l'hydrogène
ÿnécessite l'usage de platine (très cher)
Therm ique à la biom asse
Combustion de
déchets organiques ou de tourbe
produisent la vapeur actionnant une
turbine
ÿpeut permettre de se débarrasser d'une partie de
nos déchets
ÿénergie « renouvelable »
ÿdifficultés de produire la quantité de carburant
nécessaire
ÿdifficultés d'exploitation causées par les multiples
formes que le combustible peut prendre
ÿémission de gaz polluants, dont CO 2
Énergie solaire (photoélectrique)
Production d'une tension électrique
par l'action de la lumière sur une cellule photoélectrique
ÿénergie inépuisable
Lecture
Exercices
ÿcellules photoélectrique relativement peu efficaces
ÿne fonctionne pas la nuit et mal lorsqu'il y a des
nuages
p.268-270, 298-301, 323-325
p.272 # 22-24, 302 # 19-21, 326 # 13-15
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Exercices
1.
Identifie deux sources thermiques naturelles permettant de produire la vapeur nécessaire pour actionner une
turbine thermique.
2.
Identifie trois mouvements naturels permettant d'actionner une turbine.
3.
Le plus précisément possible, indique d'où provient l'énergie permettant de produire l'électricité à l'aide...
a)
...d'une éolienne
b)
...d'une centrale au mazout
c)
...d'une turbine hydraulique
d)
...d'un miroir
e)
...d'un panneau photovoltaïque
f)
...d'un réacteur nucléaire
g)
...d'une turbine hydrolienne
h)
...d'un dispositif houlomoteur
i)
...d'une centrale géothermique
j)
...d'une centrale marémotrice
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E- La perte énergétique et le rendement énergétique
'effet Joule correspond à une perte d'énergie sous forme de chaleur lorsqu'un courant électrique traverse un
élément de circuit. Les électrons se déplaçant dans l'élément frappent des atomes en place, les faisant vibrer
davantage. Ceci se traduit évidemment par une élévation de température de l'élément en question. Étant
donné qu'il est hors de question de créer simplement de l'énergie, cette énergie thermique provient de la
transformation de l'énergie électrique transmise par l'élément. Il y a donc perte énergétique.
L
Le rendement énergétique est le rapport entre l'énergie utile produite par un système à l'énergie utilisée par
le système pour produire l'énergie utile.
η : rendement
E utile : énergie utile produite par un dispositif
E dépensée : énergie dépensée produite par un dispositif
La relation de décrivant l'effet Joule est la relation
. Évidemment, la puissance dissipée
s'obtient en divisant l'énergie par le temps d'utilisation. La loi de Joule s'énonce comme suit : L'énergie dissipée
dans un conducteur est directement proportionnelle à la résistance du conducteur, au temps d'application du courant et au carré du courant électrique.
Effet Joule
E : énergie dissipée dans un élément de circuit (J)
P : puissance dissipée dans un élément de circuit (W)
R : résistance de l'élément de circuit (Ω)
I : courant traversant l'élément (A)
∆t : durée d'utilisation de l'élément (s)
Ainsi, lorsqu’on désire transporter l’énergie électrique, c’est préférable d’avoir la résistance électrique la plus
faible possible pour perdre le moins de chaleur possible dans la ligne. Au contraire, lorsqu’on désire faire un
élément chauffant, alors on cherche à ce que l’énergie électrique perdue en chaleur soit la plus élevée possible. Au
Québec, on transporte le courant dans des lignes dont la tension est le plus souvent 735 kV.
Lecture
p.152-155
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Exercices
1.
On applique une ddp de 20 V aux bornes d'un conducteur de 10 Ω.
a)
Quelle est la puissance dissipée dans le conducteur ?
b)
Que peut-on faire pour doubler le courant circulant dans le conducteur ?
c)
Quelle est la puissance dissipée dans le conducteur, lorsqu'on double le courant électrique y circulant ?
d)
Quelle est la puissance dissipée dans le conducteur si le courant qui y circule est 10 fois plus grand ?
2.
Un circuit ayant une résistance de 50 Ω fonctionne sous une tension de 125 V. Que devient la puissance
dissipée dans le circuit si on réduit sa résistance de moitié ?
3.
Pour fabriquer l’élément chauffant d’un calorifère, ça prend une résistance intermédiaire... pourquoi ?
4.
On branche 3 éléments sous une tension de 125 volts chacun. Le premier élément a une résistance de 0Ω, le
second a une résistance de 40Ω et le troisième a une résistance de 500Ω. Calcule l’énergie perdue dans
chacun des éléments en 1 minute.
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F- Électricité et chaleur
e courant électrique cause un échauffement du circuit où il circule. Cependant, cette chaleur ne correspond
pas nécessairement à une perte énergétique et on peut la récupérer à d'autres fins. On peut ainsi chauffer une
maison à l'aide de calorifères électriques, faire chauffer un four pour faire cuire un roti ou simplement faire
chauffer de l'eau pour faire un café ou pour prendre un bain.
L
E : Énergie dépensée par un élément de circuit (J)
U : Tension aux bornes de l'élément (V)
I : Courant circulant dans l'élément (A)
∆t : Durée d'utilisation de l'élément (s)
R : Résistance de l'élément de circuit (Ω)
P : Puissance consommée par l'élément de circuit (W)
Prenons le cas d'un chauffe-eau. L'énergie électrique consommée dans l'élément se transforme en chaleur.
Cette dernière est transmise à l'eau laquelle voit sa température augmenter. James Joule montra dans une série
d'expérience au milieu du XIXe siècle qu'il y a équivalence entre l'énergie électrique consommée et l'énergie
thermique qu'absorbe l'eau.
Q : énergie thermique absorbée ou transmise par une substance (J)
c : chaleur massique de la substance (J/gEC)
m : masse de la substance chauffée (g)
∆T : variation de température de la substance (EC)
NB
Ne pas confondre «q» de la charge électrique et «Q» de l'énergie thermique.
Lecture
Exercices
1.
p.156-159
p.461-463
Calcule : La quantité d'énergie consommée par un résistor...
a)
...de 20 Ω, pendant 2 minutes...
ou
b)
...sous une tension U = 10 V
I=
E=
...sous une tension U = 20 V
I=
E=
E = U I ∆t Si on double U, I
et alors E est
E = R I2 ∆t Si le courant est
, alors E est
...de 10 Ω, durant 2 minutes...
...sous une tension U = 10 V
I=
E=
...sous une tension U = 40 V
I=
E=
(
fois plus grand)
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2.
Que se passerait-il si un appareil conçu pour fonctionner sous une tension de 125 V était branché sous une
tension de 250 V ?
U = RI
...si on augmente le potentiel sans changer la résistance (ce qu'on fait ici), alors le courant circulant dans l'appareil
...
E = U I ∆t ...et alors, la ddp et le courant étant doublés, l'énergie absorbée par l'appareil est
fois plus grande. L'appareil va
.
3.
En Europe, où la tension est de 220 V, comment fait-on pour protéger son rasoir ou son sèche-cheveux ?
4.
Comment fonctionne un fusible ?
5.
Un chauffe-eau de 3000 W fonctionnant sur 250 V est rempli avec 108 L d’eau à 5°C. Après combien de
temps la température sera-t-elle de 75°C ?
6.
Un élément cauffant de dont la résistance est de 100 Ω est branché sur une prise de courant ordinaire afin de
chauffer 750 g d’éthylène-glycol dont la température initiale est de 8°C. La chaleur massique de l’éthylèneglycol est de 2,2 J/g°C. Quelle est sa température après 15 minutes d'utilisation ?
7.
Complète l'expérience suivante.
Expérience 11 - Énergie électrique et énergie thermique
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