Séquence 14 : puissance et énergie électrique

Alban du Plessis
Puissance et énergie électrique
Séquence 14 : puissance et énergie électrique
Cours niveau troisième
Objectifs :
- Savoir que :
o Le watt (W) est l’unité de puissance
o Le joule (J) est l’unité de l’énergie
o L’intensité du courant électrique qui parcourt un fil conducteur ne doit
pas dépasser une certaine valeur pour des raisons de sécurité
- Etre capable de :
o Calculer une puissance
o Calculer une énergie
o D’identifier les indications de tension, d’intensité et de puissance sur les
appareils et câbles électriques
- Connaître :
o Les ordres de grandeur de puissances électriques
o La relation liant l’énergie et la puissance
Voir également votre manuel pages 193 à 199 et 207 à 214
Rappels : ce que vous savez déjà
-
La tension est notée U et s’exprime en volt (V)
L’intensité du courant électrique est notée I et s’exprime en ampère (A)
La résistance électrique d’un dipôle est notée R et s’exprime en ohm (Ω)
La loi d’Ohm est U=RI
Définitions
Energie : l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la
chaleur, de la lumière, de produire un mouvement. Elle s’exprime en joules (J) dans
le système international mais on la trouve également souvent exprimée en
wattheures (Wh) ou kilowattheures (kWh).
Puissance : il s’agit de la quantité d’énergie fournie par unité de temps. Elle
s’exprime en watts (W).
Valeur efficace : la valeur efficace d’un courant ou d'une tension, variable au cours
du temps, correspond à la valeur du courant continu ou de la tension continue
produisant un échauffement identique dans une résistance. Cette valeur efficace ne
peut être calculée que si ce courant ou cette tension sont des grandeurs périodiques.
Situation
Sur mon sèche-cheveux, je peux voir l’indication 1600W. De quoi s’agit-il ?
Est-ce beaucoup ?
Réponse :
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Puissance et énergie électrique
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La puissance électrique – ordre de grandeur
Définition : on détermine l’ordre de grandeur d’un nombre
« A » en le plaçant entre deux puissances de 10 consécutives.
La plus proche correspond à l’ordre de grandeur de A.
Exemple : A = 7,51.108 donc 108 < A < 109 donc l’ordre de
grandeur de A est 109.
Pour s’entrainer :
B = 2 donc ………. < B < ………….. donc l’ordre de grandeur de B est ………. (=100)
C = 27 donc ……… < C < ……… donc l’ordre de grandeur de C est ………
D = 0,02 = ……… donc ……… < D < ……… donc l’ordre de grandeur de D est ……
E = 5325 donc ……… < E < ……… donc l’ordre de grandeur de E est ………
F = 0,0007 = ……… donc ……… < F < ……… donc l’ordre de grandeur de F est …..
Appareils électriques domestiques :
Type
Appareil
Eclairage
Appareils
chauffants
Autre
Puissance en W
Lampe à
incandescence
Ampoule halogène
Grille-pain
Sèche-cheveux
Radiateur
Cafetière
Four électrique
Friteuse
Bouilloire
Télévision
Ordinateur
Aspirateur
Lave-linge
Lave-vaisselle
Ordre de
grandeur
60
400
1000
1600
2000
900
3000
2000
1000
200
200
1500
2000
2000
On retient que l’ordre de grandeur de la puissance :
- d’une lampe est 100 W
- d’un appareil chauffant est 1000 W
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Donc, un sèche-cheveux de 1600W est un appareil domestique ayant une puissance
relativement importante.
Calcul de la puissance
Expérience : on branche un appareil électrique de puissance connue. On mesure la
tension à l’aide d’un voltmètre et l’intensité à l’aide d’un ampèremètre. On note :
P= …………………
U= …………………
I= ………………….
On calcule maintenant U x I = …………………. Et on compare avec P. On constate
que ces deux valeurs sont égales.
Faire le schéma du montage (avec ampèremètre et voltmètre) :
Relation :
Pour les dipôles ohmiques (lampes, chauffage), on a la relation :
P = U.I
Avec :
P
U
I
ou encore
I=
𝐏
𝐔
la puissance en watts (W)
la tension efficace en volts (V) (230 V pour le secteur)
l’intensité efficace en ampères (A)
Exemple : le sèche-cheveux de 1600W fonctionne avec le courant du secteur :
U=230V donc :
I = 1600/230 = 6,96A
L’intensité efficace du courant traversant le sèche-cheveux est 6,96 Ampères.
Sécurité
Plus l’intensité du courant électrique traversant un fil conducteur est grande, plus il
s’échauffe.
Si cette intensité est trop importante, cela peut provoquer un échauffement suffisant
pour déclencher un incendie.
Définition : une surintensité est une intensité du courant électrique dépassant la
plus grande valeur supportée par un dipôle ou un circuit électrique.
Les coupe-circuits sont branchés en série avec les appareils électriques. Ils
protègent l’installation électrique contre les surintensités. Si l’intensité du courant qui
les traverse atteint une valeur limite, ils ouvrent le circuit. Collège des Tilleuls – Annecy
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Il existe deux types de coupe-circuits :
-
les fusibles qui fondent et qu’il faut donc remplacer
les disjoncteurs qu’il est possible de réenclencher
Question : peut-on brancher un grille-pain de 1050 W sur un circuit protégé par
un fusible de 10A ?
Réponse :
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On peut considérer les appareils électriques domestiques comme des dipôles
ohmiques. Ils sont branchés en dérivation sur le secteur.
La tension efficace du secteur est 230V.
La puissance P du circuit électrique domestique est égale à la somme des
puissances de chaque appareil du circuit.
L’intensité I du courant électrique dans le câble principal est donc I = P/U avec
U=230V.
L’intensité efficace du courant électrique dans un fil conducteur ne doit pas dépasser
une certaine limite. Cette limite est indiquée par le constructeur : les indications de
tension, de puissance et d’intensité portées sur un fil correspondent respectivement
à la tension nominale, la puissance limite et l’intensité efficace limite.
A noter : l’indication d’intensité efficace limite est souvent absente car on peut la
calculer avec les indications de tension et de puissance.
Exemple : sur le fil principal d’une installation on trouve les indications 4600W et
230V. Quelle est l’intensité efficace maximale pouvant être supportée par ce fil ?
Quelle doit être la valeur du fusible pour protéger l’installation ?
Réponse :
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L’énergie - introduction
Sur mon sèche-cheveux, je peux voir l’indication 1600W. Il s’agit de sa puissance en
watts. Peut-on faire un lien entre cette grandeur et l’énergie consommée par
l’appareil ?
Un radiateur de 1000W va-t-il consommer plus d’énergie qu’une lampe de 60W ?
Réponse : ……………………………………………………………………………………...
Quelle information complémentaire manque-t-il ?
Réponse : ……………………………………………………………………………………...
Tous les logements ont un compteur électrique, quelle
indication puis-je lire sur le compteur ? De quoi s’agit-il ?
Réponse : ………………………………………………………..
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L’énergie - unités
Unité légale : le joule (J). Le joule est l’unité de l’énergie dans le système
international, qu’elle soit électrique ou non. Ainsi une pomme de 0,20 kg, tombant à
10 m/s possède une énergie cinétique Ec = ½ x 0,20 x 10² = 10 joules.
L’unité couramment utilisée pour l’énergie électrique est le kilowattheure
(kWh).
Comment passer de l’une à l’autre ? Il faut retenir :
- Un kilowattheure (kWh) = 1000 wattheures (Wh)
- Un wattheure (Wh) = 3600 wattseconde (Ws) (il y a 60 x 60 = 3600 secondes
dans une heure)
- Un joule (J) = un wattseconde (Ws) donc on ne parle pas de wattseconde
mais de joule
On a donc :
Un kilowattheure = 1000 wattheures = 1000 x 3600 joules
Un kilowattheure = 3 600 000 joules = 3,6 x 106 joules
Donc, pour passer de :
- kilowattheure à joule, on multiplie par 3,6 x 106
- Joule à kilowattheure, on divise par 3,6 x 106
Exemple : A = 7,2.108 J donc A = 7,2 x 108 / 3,6 x 106 = 200 kWh
Pour s’entrainer :
B = 5 kWh donc B = …………………………………………………………………………..
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Puissance et énergie électrique
C = 18 J donc C = …………………………………………………………………………….
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D = 36000 J donc D = ………………………………………………………………………..
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E = 0,00072 kWh donc E = ………………………………………………………………….
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F = 10-5 kWh donc F = ……………………………………………………………………….
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ATTENTION de ne pas confondre kilowatt (puissance) et kilowattheure (énergie)
L’énergie
L’énergie électrique E transférée pendant une durée t à un appareil électrique de
puissance P est donnée par la relation :
E=Pxt
Avec
E
P
t
en joules (J) en watts (W)
en secondes (s)
On peut noter que :
- Une énergie de un joule est l’énergie transférée à un appareil électrique de
puissance 1 watt pendant une durée de 1 seconde (on a bien 1J = 1Ws)
- Une énergie de un kilowattheure est l’énergie transférée à un appareil
électrique de puissance 1 kW (1000 W) pendant une heure (3600 s)
La puissance électrique d’un appareil est donc la quantité d’énergie électrique qu’il
reçoit par unité de temps.
Remarque importante :
Pour obtenir directement l’énergie électrique en kilowattheure (kWh), on peut utiliser
la formule E = P x t en exprimant P en kilowatt (kW) et t en heure (h).
Exemples :
Un radiateur d’une puissance de 1500W fonctionne pendant 3 mois, quelle énergie,
en kilowattheures, a-t-il consommé ? …………………………………………………………………………………………………..
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Une ampoule de 60W fonctionne pendant 12h, calculer l’énergie consommée en
kilowattheures et en joules. …………………………………………………………………………………………………..
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A retenir :
- La puissance s’exprime en watts (W)
- Sur les appareils il est indiqué la puissance nominale
- Les appareils domestiques ont des puissances de l’ordre de 100W pour ceux
qui ne chauffent pas et 1000W pour ceux qui chauffent
- On calcule la puissance d’un appareil à l’aide de la relation P = U.I où U et I
sont des grandeurs efficaces
- L’intensité du courant électrique qui parcourt un fil conducteur ne doit pas
dépasser une valeur déterminée par le constructeur
- Les coupe-circuits protègent l’installation électrique des surintensités
- L’énergie électrique se calcule grâce à la relation E=P.t
- Le joule (J) est l’unité de l’énergie dans le système international
- On utilise souvent le kilowattheure (kWh) comme unité pour l’énergie
électrique
Fin
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