chapitre 4 : puissance et énergie...

Tony Leparoux, professeur de physique-chimie

Chapitre 4 : Puissance et énergie électrique

Exemple 1 : Arnold Schwarzenegger est capable de soulever, au maximum, une barre de 215 kg à 2 m de hauteur en 4 s

L’homme le plus petit du monde est capable de soulever un pack de lait de 6 kg à 50 cm de hauteur en 20 s.

L’homme le plus puissant est celui qui est capable de dégager le plus d’énergie en un minimum de temps :

C’est donc TERMINATOR, alias Arnold Schwarzenegger.

La puissance correspond donc à un débit d’énergie, c'est-à-dire à la rapidité à laquelle quelque choses va fournir une énergie.

Exemple 2 :

Une grue est capable de soulever 100 sacs de ciments de 40 kg à une hauteur de 13 m en 20 s.

Un maçon est capable de soulever ces 100 sacs de ciments de 40 kg à une hauteur de 13 m en 3 h :

La chose la plus puissante est la grue qui a été capable de dégager beaucoup d’énergie en un minimum de

temps.

Exemple 3 :

Le sprinter Dwain CHAMBERS est capable de courir 100 m en 9’95 .

Le marathonien finlandais est capable de courir le 100 m en 13’ 85.

Le plus puissant est le sprinter CHAMBERS, capable avec ses gros

muscles de libérer un maximum d’énergie en un minimum de temps.

IDEM pour les cyclistes :

Un sprinter a de grosses cuisses et est capable d’accélérer très fort à

l’approche de la ligne d’arrivée

contrairement

à un grimpeur « fin et sec » doué en montagne et endurant.

1/ Puissance nominale P

A/ Définition

C’est la puissance consommée par un appareil en fonctionnement normal (il est alors soumis à sa tension nominale

et est traversé par son courant nominal)

Unité : le Watt (symbole W) en hommage à James Watt (physicien écossais du 18ème siècle).


Tous les appareils électriques ont une plaque signalétique indiquant les caractéristiques de l’appareil lors d’un

fonctionnement normal :

Quelques multiples et sous multiples :

Térawatt

(TW)

Gigawatt

(GW)

Mégawatt

(MW)

Kilowatt

(kW)

Watt

(W)

mW

1 0 0 0

1 0 0 0 0 0 0

1 0 0 0 0 0 0 0 0 0

1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0, 0 0 1

Exemples :

1 kW = 1 kilowatt = 1000 W

1 MW = 1 mégawatt = 106 W

1 GW = 1 gigawatt = 109 W

1 TW = 1 térawatt = 1012

W

1mW = 1 milliwatt = 10-3

W

Tension nominale des

appareils :

230 V

C’est la tension du secteur en

Europe. Une tension efficace,

alternative, sinusoïdale.

Fréquence d’utilisation :

50 Hz

C’est la fréquence de la tension du

secteur en Europe.

Puissance nominale des

appareils :

45 W, 1500 W, 800 W, 2000 W, 920 W

C’est la puissance électrique reçue

en fonctionnement normal.


B/ TP : Quelle est la formule mathématique de la puissance nominale ?

Situation : 4 physiciens « prix Nobel de physique » ne sont pas d’accord sur la formule mathématique de

la puissance d’une lampe notée PWatt (Puissance en Watt ; U : tension en Volt ; I : intensité en Ampère)

1/ Ce que je vais faire… RAISONNER ( /2)

Je vais mesurer la tension (avec un voltmètre) et l’intensité (avec un ampèremètre) aux bornes d’une lampe

de (6V – 1,8 W) alimentée avec un générateur de 6 V. On en déduira par la suite, avec quelques opérations, qui a

raison.

2/ Je réalise mon expérience… dans le calme. ( appelle le professeur avant le branchement) FAIRE ( /2)

3/ Ce que j’observe…S’INFORMER ( /4)

Mes résultats d’expérience sont : J’obtiens les résultats suivants en mettant le générateur de tension continue sur 6 V

U = 5,99 V et I = 0,30 A

Je peux compléter le tableau pour m’aider

Qui a raison ?

On te donne une lampe de puissance nominale PWatt = 1,8 W (6 Volts) ET du matériel sur le chariot en libre-service !

Matériel pour réaliser l’expérience (sois précis)

5 fils

Une lampe 6V – 1,8 W

Ampèremètre

Voltmètre

Générateur


Elève Formule annoncée Calcul de P avec tes résultats expérimentaux OK ou PAS OK ?

Max Planck P = U x I P = 5,99 x 0,30 = 1,80 OK

Albert Einstein P = U

I P = 5,99/0,30 =19.9 Pas OK

Gustav Hertz P = U + I P = 5,99 + 0,30 = 6.29 Pas OK

Pierre et Marie

Curie P = U – I P = 5,99 – 0,30 = 5.69 Pas OK

4/ Ce que je conclus : Qui a raison et quelle est la bonne formule mathématique de la puissance ? C ( /2)

C’est Max Planck qui a raison puisque le résultat est le plus proche de la puissance nominale annoncé.

Donc la formule de la puissance nominale est P = U x I (I en ampère, U en volt et P en watt)

5/ Vérification : D’autres mesures ont été effectuées avec les lampes AVANT et ARRIERE d’un scooter :

C/ BILAN

En courant continu, pour un appareil de puissance nominale P, alimenté sous une tension nominale U et traversé par

un courant d’intensité I, on a la relation :

PWatt (W) = UVolt (V) x IAmpère (A)

Pour tous les appareils résistifs (ohmiques) comme les fours, les grille-pains, les sèche-cheveux, les bouilloires

électriques, les cuiseurs vapeurs etc…, la formule reste la même mais on utilise les valeurs efficaces de la tension Ueff et de

l’intensité du courant Ieff.

Pour le phare avant, j’ai mesuré

I = 2,5 A

Pour le phare arrière, sa

puissance est de P = 4 W.

Est-ce que la formule marche ?

Phare avant : P = U x I = 2,5 x 6 = 15 W

C’est la bonne indication

Phare arrière : P = U x I = 6 x 0,67

= 4,02 W

C’est à peu près la bonne indication


On a alors la relation :

PWatt (W) = UeffVolt (V) x IeffAmpère (A)

Applications : Avec la relation ci-dessus, calcule le courant efficace Ieff consommé par les appareils :

Ieff (lave-linge) = PU

= P

230 =

2000230

= 8,7 A

Ieff (cafetière) = PU

= P

230 =

800230

= 3,5 A

Ieff (radiateur) = PU

= P

230 =

1500230

= 6,5 A

Ieff (TV) = PU

= P

230 =

45230

= 0,2 A

Ieff (grille-pain) = PU

= P

230 =

920230

= 4 A

D/ TP : Quelle est la puissance totale d’une habitation ?

1/ Ce que je vais faire… RAISONNER ( /4)

Je vais brancher deux lampes de 6 V en série et les alimenter avec un générateur de 12 V. On déplace

les voltmètre et ampèremètre dans le circuit afin de prendre les mesures de tension et d’intensité de

courant.

2/ Je réalise mon expérience… dans le calme. ( Appelle le professeur avant le branchement) FAIRE ( /4)

3/ Ce que j’observe…S’INFORMER ( /4)

Pour t’aider, complète le tableau avec tes résultats expérimentaux :

Maintenant que tu connais la formule de la puissance, j’aimerai connaître la puissance totale

(notée Ptotale) consommée d’une habitation.

On assimilera l’installation électrique de la maison par :

2 lampes en série ayant pour caractéristiques

Un générateur de tension continue 12 V

Matériel pour réaliser l’expérience (sois précis)

6 fils

Voltmètre

Ampèremètre

Générateur

2 lampes de (6 V-0,3 A)


Lampe 1 (puissance P1) Lampe 2 (puissance P2) Générateur (puissance Pgénérateur)

Tension U (V) 6,00 6,00 12 V

Intensité I (A) 0,30 0,30 0,30

Puissance P (W)

par calcul P1 = 6,00 x 0,30= 1,8 W P2 =6,00 x 0,30 = 1,8 W Pgénérateur = 12 x 0,30 = 3,6 W

4/ J’analyse ….. RAISONNER ( / 3) en répondant aux questions ci-dessous :

a/ Peut-on dire que la puissance délivrée par le générateur Pgénérateur est égale à la puissance totale délivrée dans le circuit

Ptotale ?

Oui, le générateur est le seul appareil délivrant de l’énergie dans le circuit Pgénérateur = Ptotale

b/ Fais le calcul P1 + P2 et compare avec Pgénérateur?

P1 + P2 = 1,8 +1,8 = 3,6 W = Pgénérateur = Ptotale

c/ Qui a raison parmi ces physiciens ? C’est donc Louis de Broglie qui a raison.

Si une installation (maison, usine…) comporte plusieurs appareils électriques, alors la puissance électrique totale reçue

par l’installation est égale à la somme des puissances reçue par chaque appareil de l’installation.

Ptotale = P1 + P2 + P3 + P4 + P5 +…

Exemple :

Si vous utilisez chez vous en même temps ces trois appareils : lave-linge (2250 W), radiateur (1500 W) et une

cafetière (800 W), la puissance électrique totale reçue vaudra : Ptotale = 2250 + 1500 + 800 = 4550 W

5/ Ce que conclus…COMUNIQUER ( /2)

Si, dans une maison, on a 5 appareils en

marche de puissance P1, P2, P3, P4 et P5,

quelle est la formule donnant la puissance

totale Ptotale consommée ?

Ptotale =P1 + P2 + P3 + P4 +P5

Exercice : APPLIQUER ( /3)

Un four de puissance 2500 W, un fer à repasser de

puissance 1800 W et un sèche-cheveu de puissance 200 W

fonctionnent en même temps sur 230 V.

1/ Quelle est la puissance totale consommée Ptotale ?

Ptotale = 2500 + 1800 + 200 = 4500 W

2/ Quelle est l’intensité totale Itotale ?

Itotale = P

U=

= 19,6 A


2/ Les coupe – circuits. A/ Intensité électrique dans un fil.

Au 18ème siècle, James Prescott Joule montre que lorsqu'un courant passe dans un fil, celui-ci s'échauffe

(principe de fonctionnement d’un radiateur, des grilles pains, des fours…) : C’est l’effet joule.

Si le courant devient trop fort, le fil peut fondre et il y a risque d’incendie.

Les fabricants de matériel indiquent donc une valeur maximale du courant Imax qui peut traverser un câble électrique sans l’endommager (ou bien la puissance maximale Pmax). Par exemple, sur les fils électriques du collège, on peut lire 1,5 mm² et 20 A. Cette valeur dépend de la qualité du cuivre mais surtout de la section du fil en mm² et de sa longueur en m.

Puissance maximale = 2300 W

Section du fil électrique : 1,5 mm²

Puissance maximale = 6500 W

Section du fil électrique : 6 mm²

Il faut donc toujours adapter la

section du fil au courant qui va le

traverser.

Dans une maison par exemple, si on

branche trop d’appareils en même

temps sur le même fil, alors le

courant peut dépasser une valeur

maximale Imax de sécurité : C’est la

surintensité.

Le cas le plus typique est de brancher

sur une multiprise beaucoup

d’appareils. Si la demande de

courant dépasse la valeur autorisée

par la multiprise, alors le fil peut

fondre et il peut y avoir un incendie


Afin d’assurer notre sécurité, il peut être

intéressant que le fil fonde : c’est le principe de

fonctionnement des fusibles.

Principe de fonctionnement :

Dans une installation électrique, il existe trois types de fils :

La phase : C’est le fil dangereux dont le potentiel est de 230 V.

Le neutre : C’est le fil couplé à la phase dont le potentiel est de 0 V

La différence de potentiel entre les deux est appelée TENSION et vaut 230 – 0 = 230 V


La Terre : Il est là pour assurer la sécurité des personnes et des appareils. Il est obligatoire lorsque

les appareils ont une carcasse conductrice (machine à laver, four, grille-pain…) mais vous remarquerez que l’aspirateur (carcasse plastique isolante n’en contient pas). Allié au disjoncteur différentiel, il permet la protection des personnes.

Si vous mettez vos doigts entre neutre et phase : électrocution Si vous mettez vos doigts entre neutre et terre : rien

Si vous mettez vos doigts entre phase et terre : électrocution

B/ Les différents coupe-circuits passés à la loupe :

Afin de protéger les installations électriques et les personnes, on utilise des coupe-circuits mis en série avec les appareils et qui permettent de couper le courant en cas de surintensité :

Il est limité à une certaine intensité (en général 10 A ou 16 A). Lorsqu’un courant trop fort est demandé par un appareil (dysfonctionnement, fils de phase et neutre qui se touchent, court-circuit…) ou que trop d’appareils fonctionnent sur ce même

disjoncteur (multiprise), le disjoncteur « saute » : il coupe le courant

instantanément, mais peut être réarmé à tout moment. Sa durée de vie est

« infinie » Ils protègent les appareils seulement.


Dans certaines vieilles installations électriques, il est toujours présent et joue même rôle que le disjoncteur divisionnaire. Dès qu’un courant trop fort passe, le fil du fusible

fond (« les plombs sautent »). Il coupe le courant instantanément. Il ne sert malheureusement qu’une fois. Ils protègent les appareils seulement.

Des appareils défectueux habitent chez vous, car un fil de phase (230 V) va venir toucher la carcasse métallique de votre machine à laver ou four à micro-ondes. En touchant l’appareil, on peut être électrisé voire électrocuté. Il détecte ainsi les fuites de courant à la Terre, c’est-à-dire qu’il fait la différence (d’où son nom) entre ce qui entre et ce qui sort de lui. Dès lors qu’une fuite est détectée, il « saute » (ici à partir de 30 mA). Il constitué votre ange-gardien . Ils protègent les appareils et les personnes.

Je vous donne en dessous les risques liés aux courants : Le seuil mortel est d‘environ 40 à 50 mA.


Son rôle est de mettre hors tension l’installation électrique. Il possède une protection différentielle (300 mA à 500 mA), autant dire qu’il n’est pas là pour notre sécurité. Il est juste là pour qu’EDF s’assure bien que vous payez votre électricité. En effet, certaines personnes (avant les années 1950) branchaient le fil de neutre à la place de la Terre et le compteur ne tournait plus. Aujourd’hui, EDF plombe ce disjoncteur pour qu’aucune modification ne soit faite. On devrait donc l’appeler le disjoncteur anti-fraude. Ils protègent les appareils seulement.

fusible Disjoncteur

divisionnaire

Disjoncteur

différentiel

Disjoncteur

d’abonné

Protection des

biens Oui Oui Oui Oui

Protection des

personnes Non Non Oui Non

Réarmable Non Oui Oui Oui

Nécessité

« prise de

terre »

Non Non Oui Oui

Coût


Autres schémas pour bien comprendre l’installation électrique :


3/ L’énergie électrique

Les appareils électriques reçoivent de l’énergie électrique et la convertissent sous différentes formes:

- énergie thermique; - énergie lumineuse; - énergie mécanique; …

A/ Définition et unité

La puissance électrique est une grandeur instantanée, c’est à dire qu’elle permet de savoir ce que reçoit

un appareil ou une installation à chaque instant.

Par contre l’énergie tient compte de la durée d’utilisation (E.D.F. ne fera pas payer le même prix si on

utilise une lampe halogène pendant 5 minutes ou pendant 10 heures).

L’énergie transférée pendant une durée t à un appareil de puissance nominale P en fonctionnement normal est:

B /Unités

B/ Le compteur électrique

Dans une installation électrique, tous les appareils sont placés en dérivation : Si un appareil ne fonctionne plus,

les autres continuent de marcher.

A l’entrée de toute installation domestique se trouve un compteur qui mesure l’énergie électrique consommée

E = P x t

Ejoule = Pwatt x ts

Unités du système international

(SI) :

E : en joules (J)

P : en watt (W)

T : en seconde (s)

1 Joule est l’énergie consommée

par un appareil de 1 W pendant

1 s

EWh = PW x th

Unités utilisée par EDF

E : en wattheure (Wh)

P : en watt (W)

T : en heure (h)

1 wattheure est l’énergie

consommée par un appareil

de 1 W pendant une heure

(3600 s)

1 Wh = 3 600 J

EkWh = PkW x th

Unités utilisée par EDF

E : en kilowattheure (kWh)

P : en kilowatt (kW)

T : en heure (h)

1 kilowattheure est

l’énergie consommée par

un appareil de 1kilowatt

(1000W) pendant une heure

( 3600 s)

1 kWh = 1000 Wh =

3 600 000 J


Calcul de la puissance P d’une bouilloire électrique par mesure de l’énergie électrique consommée avec

un compteur électrique :

Sur le compteur que l’on possède, un tour de roue correspond à 2,5 Wh soit 2,5 x 3600 = 9000 J

Méthode Méthode 1 : Ejoule = Pwatt x ts Méthode 2 : EWh = PW x th

Résultats expérimentaux

sur l’énergie E

20 tours 20 x 9000 = 180 000 J

E = 180 000 J

20 tours 20 x 2,5 = 50 Wh

E = 50 Wh

Résultats expérimentaux

sur la durée 1 min 34 s = 94 s

1 min 34 s = 1

60 x (1 +

3460

) = 0,0261

h

Calcul de puissance

Pwatt = Ejoule

ts

=

Pwatt = 1916 W

Pwatt = EWh th

=

,

Pwatt = 1916 W


C/ La facture d’électricité (Voir le TP EXCEL: consommation de la famille JOULE).

Quand on se connecte au réseau E.D.F. on doit choisir un type d’abonnement, c’est à dire la puissance

maximale souscrite que pourra consommer l’installation à un moment donné. Plus on souhaite avoir une

installation puissante, plus l’abonnement est cher.

Les tarifs de l’électricité dépendent de la région que vous habitez.

EDF vous propose plusieurs options :

1/ Le contrat classique (« de BASE ») :

2/ L’option heures pleines – heures creuses : Les heures creuses sont souvent la nuit (de 23 h à 7 h) ou le midi

(entre 11 h et 13 h). Vous avez le droit à 8h creuses dans une journée.

Il existe aussi une option tempo, bien plus complexe, basée sur les jours d’hiver et d’été et les horaires de la journée.


L’abonnement détermine la puissance maximale Pmax de l’installation. (Elle est indiquée en kW sur le contrat). Si on dépasse cette puissance à un instant donné, l’installation disjoncte.

Le prix à payer est le suivant : Consommation en kWh x prix du kWh


Exemple 2 :


COMPARAISON :

Exemple 1 Exemple 2

Date de la facture 2003 2012

Puissance souscrite 9 kW 6 kW

Option HC / HP HC / HP

Prix de l’abonnement 13,47 € / mois 12,94 € / mois

Prix du kWh en heures pleines 0,0777 € 0,0916 €

Prix du kWh en heures creuses 0,0462 € 0,0587 €

D/ Comment diminuer sa consommation d’énergie ?


E/ Sécurité des personnes et rôle de la TERRE dans une habitation


F/ Activité : les lampes basse consommation.

Chaque année, on estime qu’un réacteur de centrale nucléaire tourne uniquement pour alimenter les appareils en veille. Je

vous donne ici une idée de ce que peuvent consommer des appareils en veille.

chapitre 4 : puissance et énergie...

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