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 : Collège des Tilleuls Annecy Page 1 sur 7 Physique - Chimie
La puissance électrique ordre de grandeur Pour s entrainer : 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 = 7,51.10 8 donc 10 8 < A < 10 9 donc l ordre de grandeur de A est 10 9. B = 2 donc. < B <.. donc l ordre de grandeur de B est. (=10 0 ) 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 Puissance en W Ordre de grandeur Eclairage Lampe à incandescence 60 Ampoule halogène 400 Appareils chauffants Grille-pain 1000 Sèche-cheveux 1600 Radiateur 2000 Cafetière 900 Four électrique 3000 Friteuse 2000 Bouilloire 1000 Autre Télévision 200 Ordinateur 200 Aspirateur 1500 Lave-linge 2000 Lave-vaisselle 2000 On retient que l ordre de grandeur de la puissance : - d une lampe est 100 W - d un appareil chauffant est 1000 W Collège des Tilleuls Annecy Page 2 sur 7 Physique - Chimie
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 ou encore I = P U Avec : P la puissance en watts (W) U la tension efficace en volts (V) (230 V pour le secteur) I 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 Page 3 sur 7 Physique - Chimie
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 : 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 : Collège des Tilleuls Annecy Page 4 sur 7 Physique - Chimie
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 :... 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 10 6 joules Donc, pour passer de : - kilowattheure à joule, on multiplie par 3,6 x 10 6 - Joule à kilowattheure, on divise par 3,6 x 10 6 Exemple : A = 7,2.10 8 J donc A = 7,2 x 10 8 / 3,6 x 10 6 = 200 kwh Pour s entrainer : B = 5 kwh donc B =.. Collège des Tilleuls Annecy Page 5 sur 7 Physique - Chimie
C = 18 J donc C =. D = 36000 J donc D =.. E = 0,00072 kwh donc E =. F = 10-5 kwh donc F =. 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 : Avec E en joules (J) P en watts (W) t en secondes (s) E = P x t 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? Collège des Tilleuls Annecy Page 6 sur 7 Physique - Chimie
Une ampoule de 60W fonctionne pendant 12h, calculer l énergie consommée en kilowattheures et en joules. 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 Collège des Tilleuls Annecy Page 7 sur 7 Physique - Chimie