Chapitre 3 : Puissance et énergie électrique

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1 1/ La Puissance électrique. Chapitre 3 : Puissance et énergie électrique A/ Définition : La puissance est une quantité d énergie E par unité de temps t. Elle correspond donc à un débit d énergie, c'est-à-dire à la rapidité à laquelle un objet va fournir une énergie. Exemples : Une grue est capable de soulever 100 sacs de ciments de 40 kg à une hauteur de 13 m en 24 s. Un maçon est capable de soulever ces 100 sacs de ciments de 40 kg à une hauteur de 13 m en 10h : Le maçon a donc une puissance beaucoup plus faible que la grue, même si au final ils ont libéré la même énergie. Autre cas : C est le cycliste le plus puissant, capable de libérer une quantité d énergie en un minimum de temps, qui gagnera le sprint. B/ Puissance nominale des appareils électriques. Sur chaque plaque signalétique d un appareil électrique, on peut trouver les caractéristiques suivantes qui indiquent les conditions pour un fonctionnement normal : 230 V AC : C est la tension nominale d alimentation. Pour fonctionner normalement, l appareil doit être alimenté avec une tension efficace alternative sinusoïdale de 230 V. 50 Hz : C est la fréquence nominale de la tension d alimentation : Celle délivrée par le secteur W, 800 W, 1500 W : C est la puissance nominale : C est la puissance électrique qu il reçoit lorsqu il est soumis à sa tension nominale. (c est à dire sa tension normale d alimentation) C/ Notation et unité. On utilise la lettre P pour noter les puissances et elles s expriment en Watt (W) Souvent on utilise aussi les multiples, voire sous multiples : Térawatt (TW) Gigawatt (GW) Mégawatt (MW) Kilowatt (kw) Watt (W) mw kw = 1 kilowatt = 1000 W 1 MW = 1 mégawatt = 10 6 W 1GW = 1 gigawatt = 10 9 W 1TW = 1 térawatt = W 1mW = 1 milliwatt = 10-3 W D/ Exemples de puissances nominales.

2 2/ Calcul de puissances électriques. A/ TP puissance électrique B/ Calcul de puissances B.1/ En continu 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 : P = U x I B.2/ En alternatif Pour tous les appareils résistifs ou ohmiques de type four ou lampes alimentés en courant alternatifs, la formule reste la même mais on effectue le calcul avec la valeur efficace de la tension U eff et la valeur efficace du courant I eff. On a alors la relation : P = U eff x I eff Applications : Avec la relation ci-dessus, calcule le courant efficace I eff consommé par les appareils. I eff (lave linge) = I eff (cafetière) = I eff (radiateur) = I eff (télé) = I eff (grille-pain) = B.3/ Puissance totale. 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. P tot = P 1 + P 2 + P 3 + P 4 + P 5 + 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 : P totale = = 4550 W 3/ Les coupe circuits. A/ Intensité électrique dans un fil. Un fil parcouru par un courant chauffe : 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 I max qui peut traverser un câble électrique sans l endommager (ou bien la puissance maximale P max ). Par exemple, sur les fils électriques du collège, on peut lire 1.5 mm² et 20A

3 Cette valeur dépend de la qualité du cuivre mais surtout de la section du fil en mm² et de sa longueur en m. Si, dans une installation électrique, on branche un ou plusieurs appareils électriques trop puissants (rappel : I = P ), alors le courant demandé peut dépasser la valeur maximale I max de sécurité admissible : On parle de surintensité. Par exemple : Trop d appareils puissants branchés simultanément sur une multiprise peuvent créer un appel de courant très important et faire fondre le fil de la multiprise. (Voir l activité multiprise ) De temps en temps, les deux fils de la ligne (phase et neutre) rentrent en contact accidentel : il se produit un court-circuit et donc un incendie. Dans ces cas, afin de protéger l installation électrique de la maison, des coupe-circuits comme des fusibles ou des petits disjoncteurs sont mis en série dans le circuit et coupent le courant en cas de surintensité (ouverture du circuit) :

4 3/ L énergie électrique A/ Définition : 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 électrique E transférée pendant une durée t à un appareil de puissance nominale P est donnée par la relation : E = P x t B /Unités a/ Dans le système international d unités SI, l énergie s exprime en joules (J), la puissance P en Watt (W) et la durée t en seconde (s). b/ Mais EDF facture des énergies en kilowattheures (kwh) : dans ce cas, la puissance P s exprime en kilowatts (kw) et la durée t en heures (h). 1 kwh correspond à l énergie consommée par un appareil de puissance 1kW utilisé pendant 1 heure. Donc E = 1kWh = P x t = 1000 W x 3600 s = J = 3600 kj Les appareils électriques reçoivent de l énergie électrique et la convertissent sous différentes formes: - énergie thermique; - énergie lumineuse; - énergie mécanique;

5 Lampe Grillepain Moteur élec. Four élec. 4/ Installation électrique domestique A/ Schéma de l installation domestique.

6 Dans une installation électrique, tous les appareils sont placés en dérivation : Si un appareil ne fonctionne plus, les autres continuent de marcher. De nombreux coupe-circuits sont placés dans l habitation : dans l ordre : Des disjoncteurs des branchements différentiels. Des disjoncteurs différentiels. Des disjoncteurs individuels. Ceux-ci remplacent peu à peu les fusibles. A l entrée de toute installation domestique se trouve un compteur qui mesure l énergie électrique consommée Expérience de cours : Calculons la puissance d une bouilloire électrique en mesurant l énergie électrique consommée avec un compteur électrique : Nous savons qu un tour de roue représente une consommation de 2.5 Wh. Mesurons alors le temps mis pour faire 20 tours, correspondant à 50 Wh. On obtient 1min 34 s, soit h. En conséquence P = E t =. = 1900 W B/ 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. L abonnement détermine la puissance maximale P max de l installation. (Elle est indiquée en kwh sur le contrat). Si on dépasse cette puissance à un instant donné, l installation disjoncte ; Le prix à payer est le suivant : Prix à payer = Nb de KWh consommés x prix d 1 kwh

7 C/ Comment diminuer sa consommation d énergie?

8 D/ Activité : les lampes basse consommation