Energie et puissance électrique

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1 Energie et puissance électrique Sommaiire -I- Ressources énergétiques Les ressources renouvelables Exemples Transport d énergie II- Puissance et énergie électrique Puissance électrique P Energie électrique E el Ordres de grandeur de puissances III- Etude énergétique d un récepteur électrique Exemples Définitions Energie électrique reçue Puissance électrique reçue IV- Cas des récepteurs passifs et Effet Joule Définition Conducteur ohmique Loi de Joule Application de l'effet joule V- Cas des récepteurs actifs Loi d'ohm pour un récepteur Exemples de transferts d'énergie Energie utile Bilan énergétique VI- Transfert d'énergie pour un générateur Loi d'ohm pour un générateur Bilan de puissance, bilan d'énergie VII- Production d énergie électrique Méthodes de production Notion de chaîne énergétique Notions et Contenus : Ressources énergétiques renouvelables ou non; durées caractéristiques associées. Transport et stockage de l'énergie; énergie électrique. Production de l'énergie électrique; puissance. Compétences attendues : Recueillir et exploiter des informations pour identifier des problématiques: o d'utilisation des ressources énergétiques; o du stockage et du transport de l'énergie. Argumenter en utilisant le vocabulaire scientifique adéquat. Distinguer puissance et énergie. Connaître et utiliser la relation liant puissance et énergie. Connaître et comparer des ordres de grandeur de puissances. Conversion d'énergie dans un générateur, un récepteur. Loi d'ohm. Effet Joule. Notion de rendement de conversion. Schématiser une chaîne énergétique pour interpréter les conversions d'énergie en termes de conversion, de dégradation. Recueillir et exploiter des informations portant sur un système électrique à basse consommation. Pratiquer une démarche expérimentale pour: j f Le doute est père de la création. 1/6 o o Mettre en évidence l'effet Joule; Exprimer la tension aux bornes d'un générateur et d'un récepteur en fonction de l'intensité du courant électrique.

2 Energie et puissance électrique -I- Ressources énergétiques. 1. Les ressources renouvelables. Les ressources énergétiques renouvelables sont exploitables sans limite de durée à l'échelle humaine. Remarques: Toutes les autres ressources énergétiques sont des ressources non renouvelables. Au rythme actuel de la consommation, les ressources non renouvelables connues seront épuisées d ici quelques dizaines d'années. Extraction du pétrole 2. Exemples. a) Ressources énergétiques non renouvelables: Le pétrole, le gaz et le charbon sont des ressources fossiles qui renferment de l'énergie chimique. L'uranium 235 est une ressource fissile qui renferme de l'énergie nucléaire. b) Ressources énergétiques renouvelables: Energie éolienne: l'air en mouvement possède de 'énergie mécanique qui permet de faire tourner les pales d une l'éolienne. Energie solaire: Le Soleil renferme de l'énergie nucléaire transformée en énergie thermique par des réactions de fusion. Une partie de cette énergie est transférée sur Terre par rayonnement. Energie hydraulique: L'eau en mouvement possède de l'énergie mécanique. Biomasse: Le monde vivant, végétal et animal, possède de l'énergie chimique. Géothermie: Le sol renferme de l énergie thermique. Panneau photovoltaïque 3. Transport d énergie. L'électricité n'est pas une ressource énergétique: c'est un mode de transport de l'énergie, du lieu de production au lieu de consommation. L'électricité est très souple d'utilisation. Son inconvénient majeur est l'absence de possibilité de stockage à grande échelle. A petite échelle, le stockage de l énergie électrique (terme impropre) s effectue sous forme chimique dans des accumulateurs ou des batteries. Transport de l énergie électrique -II- Puissance et énergie électrique. 1. Puissance électrique P. On appelle puissance le produit de l'intensité du courant électrique qui traverse un dipôle par la tension électrique aux bornes de ce dipôle: P el = U.I avec P el en watt (W) U en volt (V) I en ampère (A) j f Le doute est père de la création. 2/6

3 2. Energie électrique E el. On appelle énergie le produit de la puissance électrique transférée P par la durée t du transfert: W el = E el = P. t avec W el ou E el en Joule (J) = U.I. t P en watt (W) t en seconde (s) La puissance électrique permet d'avoir une idée de la rapidité du transfert d'énergie électrique. Exemple: Quelle est l'énergie produite par une centrale nucléaire de 1,0 GW en une journée? E = P Δt soit E=1, =8, J 3. Ordres de grandeur de puissances. Une lampe à économie d'énergie consomme 10 W. Un ordinateur consomme 100 W. Un four consomme 1 kw. Un TGV entre consomme 1 et 10 MW. -III- Etude énergétique d un récepteur électrique. 1. Exemples. 1) Dans le circuit ci-contre, lorsqu'on ferme l'interrupteur, l'ampoule brille. L'ampoule s'échauffe et fournit de l'énergie à l'environnement par chaleur et par rayonnement. 1m 2 de panneaux photo voltaïques produit 100 W. Une éolienne industrielle produit 1 MW. Une centrale thermoélectrique 1000 MW. de D'autre part, l'ampoule reçoit l'énergie de la part du générateur. 2) Lorsque l'interrupteur est fermé, le moteur soulève la charge m. Le moteur fournit de l'énergie à la charge par travail mécanique. Celle-ci la stocke sous forme d'énergie mécanique (énergie cinétique et énergie potentielle de pesanteur). De plus, le moteur s'échauffe et fournit de l'énergie à l'environnement par chaleur et par rayonnement. D'autre part, le moteur reçoit de l'énergie de la part du générateur. 2. Définitions. Un récepteur est un appareil qui convertit l'énergie électrique qu'il reçoit en un autre forme d'énergie. Un récepteur est dit passif si toute l'énergie qu'il reçoit est convertie en énergie thermique (conducteur ohmique par exemple). Un récepteur est dit actif s'il convertit une partie de l'énergie électrique qu'il reçoit en une autre forme d'énergie que l'énergie thermique. 3. Energie électrique reçue. Il est évident que l'énergie électrique reçue par un récepteur dépend de la tension U AB, de l'intensité I du courant et de la durée t. W el = U AB I t avec W el : Energie reçue par le récepteur en joules (J). U AB : Tension électrique aux bornes du récepteur en volts (V). I: Intensité du courant traversant le récepteur en ampères (A). t: durée d'utilisation du récepteur en secondes (s). Remarque: Convention récepteur: le courant "descend" les potentiels. j f Le doute est père de la création. 3/6

4 4. Puissance électrique reçue. On appelle puissance électrique reçue par un récepteur la quantité: avec P el : puissance reçue par le récepteur en Watts (W). W el : énergie reçue par le récepteur en Joules (J). t: durée d'utilisation du récepteur en secondes (s). Remarque: La puissance électrique permet d'avoir une idée de la rapidité du transfert d'énergie électrique: P el = U AB.I -IV- Cas des récepteurs passifs et Effet Joule. 1. Définition. On appelle effet Joule l'effet thermique associé au passage du courant électrique dans un conducteur. 2. Conducteur ohmique. Un conducteur ohmique est un dipôle qui vérifie la loi d'ohm. La tension a ses bornes est proportionnelle à l'intensité du courant qui le traverse. U AB = R.I avec U AB : Tension électrique aux bornes du conducteur ohmique en volts (V). R: résistance du conducteur ohmique en ohms (Ω) I: Intensité du courant traversant le conducteur ohmique en ampères (A). Remarque: Toute l'énergie électrique reçue par un conducteur ohmique est transformée en énergie thermique par effet Joule ( E J = E e ). 3. Loi de Joule. Un conducteur ohmique est un dipôle passif. Toute l'énergie électrique qu'il reçoit est transformée en énergie thermique par effet Joule. On en déduit que: W e = Q J or W e = U AB.I. t et U AB = R.I => W e = Q J = R.I 2. t Remarque: Il est évident que P e = P J = R.I 2 (P J : puissance consommée par effet Joule). 4. Application de l'effet joule. Les applications de l'effet Joules sont multiples. Certaines sont utiles, d'autres nuisent au fonctionnement des circuits. Parmi les effets utiles: Le chauffage électrique. L'éclairage par incandescence. Le disjoncteur thermique. Le fusible. Parmi les effets nuisibles: L'échauffement des circuits électriques. Les pertes en lignes. La détérioration de certains circuits sous l'effet d'une augmentation de température. j f Le doute est père de la création. 4/6

5 -V- Cas des récepteurs actifs. 1. Loi d'ohm pour un récepteur. Loi d'ohm pour un récepteur: U AB = E' + r'.i U AB : Tension électrique aux bornes du récepteur en volts (V). E': Force contre électromotrice du récepteur en volts (V). r': Résistance interne du récepteur en ohms (Ω) I: Intensité du courant traversant le récepteur en ampères (A). 2. Exemples de transferts d'énergie. En fonctionnement, un récepteur actif transforme une partie de l'énergie électrique qu'il reçoit en une autre forme d'énergie que l'énergie thermique. 3. Energie utile. On appelle énergie utile la fraction de l'énergie reçue par un récepteur actif qui est convertie en une autre forme d'énergie que l'énergie thermique. 4. Bilan énergétique. W e = W u + Q J Rendement: On appelle rendement d'un récepteur actif le Wu rapport: η = Remarque: η < 1 car W u < W e => We Pu Eu η = = P E e e -VI- Transfert d'énergie pour un générateur Loi d'ohm pour un générateur. Loi d'ohm pour un générateur : U AB = E - r.i U AB : Tension électrique aux bornes du générateur en volts (V). E: Force électromotrice du générateur en volts (V). r: Résistance interne du générateur en ohms (Ω) I: Intensité du courant traversant le générateur en ampères (A). j f Le doute est père de la création. 5/6

6 2. Bilan de puissance, bilan d'énergie. D'après la loi d'ohm aux bornes d'un générateur: U AB = E - r.i => U AB.I = (E - r.i).i => U AB.I = E.I - r.i 2 U AB.I représente la puissance électrique fournie par le générateur au circuit (notée P e ). r..i 2 représente la puissance perdue par effet Joule à l'intérieur du générateur (notée P J ). E..I représente la puissance totale fournie par le générateur (notée P t ). On en déduit: P t = P e + P J avec P t : Puissance totale fournie par le générateur en watts (W). P e : Puissance électrique fournie au circuit en watts (W). P J : Puissance perdue par effet Joule dans le générateur en watts (W). -VII- Production d énergie électrique. 1. Méthodes de production. L énergie électrique est essentiellement produite: A l aide d un alternateur dans les centrales thermiques, nucléaires ou hydrauliques ainsi que sur les éoliennes. A l aide de cellules photovoltaïques dans les panneaux solaires. 2. Notion de chaîne énergétique. Une chaîne énergétique permet de représenter les transferts d'énergie entre différents systèmes. Exemple: j f Le doute est père de la création. 6/6