Chapitre 5- L'énergie électrique A- L'énergie Lorsque l'on étudie les sciences de la nature, deux grands axes de raisonnement s'imposent : la matière et l'énergie. Ces deux derniers représentent respectivement ce qui compose la matière et ce qui la fait fonctionner (comment c'est fait, comment ça marche). S'il est facile de voir et de toucher la matière, il en est cependant autrement pour l'énergie. On ne peut pas voir l'énergie. Toutefois, on peut en voir les effets. L'énergie est ce qu'un corps doit posséder afin de maintenir son fonctionnement ou afin de se transformer. L'énergie peut présenter différents visages. L'énergie se présente essentiellement sous trois formes : l'énergie de déplacement (cinétique pour les objets et radiante pour les ondes électromagnétiques), l'énergie de réserve (potentielle) et l'énergie thermique (liée aux mouvements moléculaires). L'énergie peut changer de forme. Un skieur descend un pente : son énergie potentielle gravitationnelle devient de énergie cinétique : il est moins haut et avance plus vite. Mesurer l'énergie Dans le système de mesure SI, l'énergie est mesurée en joules (J). Un joule est l'énergie nécessaire pour soulever une petite pomme sur une hauteur d'un mètre. Il existe de nombreuses unités permettant de mesurer l'énergie : le kilowatt-heure (kwh), le british thermal unit (BTU), la petite calorie et la grande calorie... Si autant d'unités existent, cela reflète sans doute l'importance accordée à l'énergie par les humains. Symbole : E Unité SI : 1 joule = 1 J En outre, l'énergie peut se manifester de différentes manières, selon les phénomènes mis en cause. Les phénomènes liés aux mouvements ou aux transformations n'impliquant pas de changement moléculaire mettent en évidence l'énergie mécanique. La collision d'une automobile est une transformation de ce type. Les changements de matière, comme la combustion d'une bûche, durant lesquels on observe des changements moléculaires soulignent l'énergie chimique. Enfin, ceux où les changements observés touchent la nature même des atomes font appel à l'énergie nucléaire. Ajoutons pour terminer l'énergie électrique ne mettant en cause que le déplacement des charges électriques sans transformation de la matière. En résumé... Énergie mécanique énergie de mouvement énergie de position ou de déformation Énergie chimique énergie de liaison des d'une Énergie nucléaire énergie de liaison des du En général, tout revient à une des trois formes précédentes. Ajoutons... Énergie radiante énergie possédée par tout rayonnement (spectre électromagnétique : ondes radios/micro-ondes/ir/lumière visible/uv/rayons X et γ) Énergie thermique énergie due aux mouvements d' des molécules formant la matière : c est la chaleur. Lecture p.142 Fais une première lecture de votre compteur électrique sur les cadrans de la question 11 (p.7)
Exercices 1. Chacun des objets suivants transforme l'énergie d'une forme à une autre. Identifie ces formes. a) grille-pain b) cellule photoélectrique c) moteur automobile d) tube fluorescent e) générateur électrique f) moulin à vent g) chargeur à piles h) émetteur radio i) muscle j) cellule photoélectrique k) four solaire l) thermocouple B- La puissance Citius, altius, fortius. Plus vite, plus haut, plus fort. C'est la devise olympique. L'épreuve représentant le mieux le «fortius» est sans doute l'haltérophilie. Les plus forts des haltérophiles sont capables de soulever plus de 250 kg à bout de bras. Cependant, n'importe qui est capable d'en faire autant : il n'y a qu'à ne pas essayer de soulever cette masse d'un seul coup mais d'y aller kilogramme par kilogramme. Évidemment, c'est moins spectaculaire. En haltérophilie, la performance consiste à tout lever d'un seul coup. Pour pouvoir le faire, il faut être capable de dépenser beaucoup d'énergie d'un seul coup... il faut être puissant. Ainsi, la puissance n'est rien d'autre que le rapport de l'énergie dépensée au temps requis pour la dépenser. La puissance......représente la quantité d'énergie dépensée ou fournie en un temps donné. On le mesure en watts. Un watt est la puissance équivalente èa la dépense d'une énergie d'un joule une seconde. Symbole : P Unité SI : 1 watt = 1W P : puissance (W) E : énergie dépensée (J) t : temps nécessaire pour dépenser l'énergie (s) Page 2 de 14
C- L'énergie électrique L'électricité est une façon commode de transmettre de l'énergie. C'est propre, il n'y a pas de carburant à manipuler et le fonctionnement en est simple et sécuritaire... de jeunes enfants peuvent facilement allumer une lampe. La plupart du temps, c'est le mouvement des électrons dans les fils électriques (le courant) qui transmet l'énergie. On peut considérer les électrons comme des «camions à énergie». Évidemment, comme les électrons sont beaucoup trop petits pour être pratiques, on les regroupe en unités plus grandes : les coulombs. Le courant électrique étant le nombre de coulombs traversant un point de circuit en un temps donné, la quantité d'énergie transportée est donc liée au courant électrique. Le voltage représente la quantité d'énergie transportée par chacun des coulomb. Ainsi, la quantité d'énergie véhiculée par un courant dépend du courant électrique et de la tension. De plus, la tension est égale au produit de la résistance d'un élément par le courant y circulant. On sait également que la puissance est le rapport de l'énergie dépensée par unité de temps. E : Énergie dépensée ou fournie par un élément de circuit (J) U : Tension aux bornes de l'élément (V) I : Courant circulant dans l'élément (A) t : Durée d'utilisation de l'élément (s) R : Résistance de l'élément de circuit (Ω) P : Puissance développée par l'élément de circuit (W) Le kilowatt-heure Lorsqu'à chaque mois, on reçoit le compte d'hydro-québec, on est facturé sur la quantité d'énergie électrique que l'on a utilisé. Cette dernière est déterminée en kilowatt-heure. Le kilowatt-heure est une unité d'énergie. E = P t 1 J = 1 W 1s (1 J = 1 Ws) 3600 J = 1 W 3600 s 3600 J = 1 W 1 h 3 600 000 J = 1000 W 1 h 3 600 000 J = 1 kw 1 h 3 600 000 J = 1 kwh La consommation d'un appareil électrique La loi oblige les fabricants d'appareils électriques à y apposer une fiche signalétique. On retrouve sur cette fiche au moins trois informations: la fréquence et le type de courant, le voltage et une façon de déterminer l'énergie consommée par l'appareil (P ou I). Lecture p.203-204 Page 3 de 14
Exercices 1. Quelle énergie est consommée par une ampoule de 100 W fonctionnant durant 2h45? 2. Un petit calorifère est branché dans un circuit ordinaire. Quel courant circule dans ce calorifère lorsqu'il est en opération? 60Hz 125V 750W 3. Quelle est l'énergie dépensée par un grille-pain fonctionnant pendant 2 minutes et dans lequel circule un courant de 6 ampères? 4. Une bouilloire électrique ordinaire utilise une énergie de 270 kj pendant 5 minutes pour faire bouillir une certaine quantité d'eau. Quel courant électrique circule dans la bouilloire? Page 4 de 14
5. Tous les jours, tu utilises durant 10 minutes un séchoir à cheveux de 1500 W. Quelle énergie consomme ce séchoir durant un mois? 6. Le circuit électrique alimentant la prise de courant d'un comptoir de cuisine est protégé par un fusible de 20 A. Tu branches une bouilloire de 1200 W et un four à micro-ondes de 1500 W. Le circuit est-il capable de supporter les deux appareils fonctionnant simultanément? 7. Combien de kilowatt-heure sont dépensés par un moteur de 5 kw fonctionnant 6 heures? E = P = t = 8. Détermine le coût annuel de l'utilisation du réfrigérateur dont la fiche est la suivante, considérant que la moitié du temps, le moteur du réfrigérateur ne fonctionne pas. 115V 60Hz 7,9A Page 5 de 14
9. Fais la lecture du compteur électrique aux dates indiquées Date de la lecture: 14 janvier 2010 E 1 = Date de la lecture: 15 mars 2010 E 2 = Calcul de la consommation électrique. E = (E 2 - E 1) mult. = = Complète la facture suivante à partir de ces données. 10. Quel est le coût mensuel (30 jours) pour la cuisson des déjeuners d'une personne, sachant que le grille pain de 800 W est utilisé 2 minutes à chaque matin et que la cafetière (dans laquelle circule 4 A) est utilisée 30 minutes chaque matin? Ces appareils sont branchés sur des prises 125 V. Le coût d'un kilowatt-heure est de 5,45. Page 6 de 14
11. Évalue la facture d électricité de votre maison. Date de la lecture : Date de la lecture : 12. On fabrique une bouilloire. Quelle devrait être la résistance de l'élément chauffant équipant la bouilloire? Page 7 de 14
D- La production de l'énergie électrique L'énergie ne peut être créée à partir de rien. De la même manière, l'énergie ne être réduite à rien. Ceci se retrouve dans la loi de Joule, également nommée la loi de la conservation de l'énergie. Cette loi précise que dans un système isolé, la quantité totale de l'énergie reste constante. Ainsi, lorsque l'on désire produire de l'énergie électrique, on ne peut pas produire cette énergie à partir de rien, mais on doit transformer une forme d'énergie déjà existante. La génératrice...... est formée d'un rotor (roue mobile) tournant à l'intérieur d'un stator (structure immobile). En tournant, le rotor subit une variation des champs magnétiques générés par le stator. Cela induit un courant électrique dans le rotor. C'est ainsi que l'on produit le courant électrique. De nombreux phénomènes naturels créent des mouvements, c'est-à-dire fournissent de l'énergie cinétique. Il ne suffit alors que de transformer cette énergie cinétique en énergie électrique. Pour ce faire, il n'y a qu'à mettre en marche une génératrice. Une turbine est un élément mécanique dont le rôle est de transformer un mouvement en rotation. La turbine est mise en marche par un mouvement naturel ou provoqué. Elle transmet ensuite ce mouvement à une génératrice laquelle produit l'électricité. C'est presque toujours ainsi que l'on produit l'électricité. Ce qui change d'une méthode à l'autre, c'est la façon de faire tourner la turbine. ACTION AVANTAGES DÉSAVANTAGES Centrales thermiques au charbon La combustion du charbon permet de produire de la vapeur qui actionne une génératrice. La combustion de l'huile (mazout) permet de produire de la vapeur qui actionne une génératrice. combustible peu coûteux et facile à exploiter beaucoup de charbon facile à exploiter peut être installée n'importe où Centrales thermiques au mazout émettent beaucoup de polluants responsables de pluies acides et contribuent à l'effet de serre le coût d'exploitation dépend du prix du pétrole réserves de pétroles limitées émettent beaucoup de polluants contribuant aux pluies acides et à l'effet de serre Centrales thermique nucléaires (fission) La fission de noyaux d'uranium (ou Pu) dégage de la chaleur qui permet de produire de la vapeur qui actionne une génératrice. Le rayonnement solaire permet de produire de la vapeur qui actionne une génératrice. La chaleur interne du sol permet de produire de la vapeur qui actionne une génératrice. grande quantité d'énergie produite à partir d'une source relativement petite quantité de déchets relativement faible pas de combustion (gaz à effet de serre) pas de pollution chimique énergie inépuisable source d'énergie gratuite (Soleil) Centrales thermiques solaires Centrales géothermiques pas de pollution chimique énergie renouvelable source d'énergie gratuite (chaleur terrestre) production assez risquée déchets radioactifs dangereux traitement des déchets difficile centrales très coûteuses doivent être construites à des endroits où l'ensoleillement est fort et régulier peu fiables (ne fonctionnent pas la nuit et mal lorsqu'il y a des nuages) les miroirs récepteurs doivent bouger constamment pour «suivre» le Soleil. lignes de transport peuvent être longues doivent être construites dans des régions ayant un gradient géothermal élevé (régions volcaniques) risques de tremblements de terre lignes de transport peuvent être longues Page 8 de 14
ACTION AVANTAGES DÉSAVANTAGES Centrales hydroélectriques Le mouvement de l'eau descendant une pente actionne une génératrice. Le mouvement de l'air (vent) actionne une génératrice. Le mouvement de l'eau descendant à un niveau plus bas (action des marées) actionne une génératrice. Le mouvement d'un courant marin actionne une hélice immergée, actionnant une génératrice Le mouvement de la houle actionne un dispositif actionnant une petite génératrice pas d'émission de gaz ni de chaleur énergie renouvelable source d'énergie gratuite (mouvement de l'eau) pas de pollution chimique énergie renouvelable source d'énergie gratuite (vents) Éoliennes Centrales marémotrices pas de pollution chimique énergie renouvelable source d'énergie gratuite (marées) Hydroliennes pas de pollution chimique énergie renouvelable source d'énergie gratuite (courants) production relativement constante pas de pollution chimique énergie renouvelable source d'énergie gratuite (vagues) Centrales houlomotrices doivent être à proximité de chutes d'eau grands réservoirs de retenu pollution provenant des roches immergées lignes de transport peuvent être longues ouvrages très coûteux doivent être à des endroits où le vent est régulier peu fiables (vents variables) lignes de transport peuvent être longues doivent être construites en bord de mer difficulté à avoir une production continue modification du milieu marin local lignes de transport peuvent être longues doivent être construites en bord de mer modification du milieu marin local lignes de transport peuvent être longues risques potentiels à la navigation maritime doivent être construites en bord de mer production relativement faible et irrégulière lignes de transport peuvent être longues risques potentiels à la navigation maritime Hydrogène - Centrales thermonucléaires La fusion de noyaux d'hydrogène dégage de la chaleur, laquelle permet de produire de la vapeur qui actionne une génératrice. La réaction entre l'hydrogène et l'oxygène permet de produire un courant électrique Combustion de déchets organiques ou de tourbe produisent la vapeur actionnant une turbine Production d'une tension électrique par l'action de la lumière sur une cellule photoélectrique énergie inépuisable (hydrogène inépuisable) pollution probablement peu importante fiable propre (produit de l'eau) hydrogène inépuisable Hydrogène - Pile à combustible Thermique à la biomasse peut permettre de se débarrasser d'une partie de nos déchets énergie «renouvelable» énergie inépuisable Énergie solaire (photoélectrique) technique non maîtrisée (pas avant 2050) difficile d'extraire l'hydrogène de la molécule d'eau difficile de stocker l'hydrogène nécessite l'usage de platine (très cher) difficultés de produire la quantité de carburant nécessaire difficultés d'exploitation causées par les multiples formes que le combustible peut prendre émission de gaz polluants, dont CO 2 cellules photoélectrique relativement peu efficaces ne fonctionne pas la nuit et mal lorsqu'il y a des nuages Lecture p.268-270, 298-301, 323-325 Exercices p.272 # 22-24, 302 # 19-21, 326 # 13-15 Page 9 de 14
Exercices 1. Identifie deux sources thermiques naturelles permettant de produire la vapeur nécessaire pour actionner une turbine thermique. 2. Identifie trois mouvements naturels permettant d'actionner une turbine. 3. Le plus précisément possible, indique d'où provient l'énergie permettant de produire l'électricité à l'aide... a)...d'une éolienne b)...d'une centrale au mazout c)...d'une turbine hydraulique d)...d'un miroir e)...d'un panneau photovoltaïque f)...d'un réacteur nucléaire g)...d'une turbine hydrolienne h)...d'un dispositif houlomoteur i)...d'une centrale géothermique j)...d'une centrale marémotrice Page 10 de 14
E- La perte énergétique et le rendement énergétique L'effet Joule correspond à une perte d'énergie sous forme de chaleur lorsqu'un courant électrique traverse un élément de circuit. Les électrons se déplaçant dans l'élément frappent des atomes en place, les faisant vibrer davantage. Ceci se traduit évidemment par une élévation de température de l'élément en question. Étant donné qu'il est hors de question de créer simplement de l'énergie, cette énergie thermique provient de la transformation de l'énergie électrique transmise par l'élément. Il y a donc perte énergétique. Le rendement énergétique est le rapport entre l'énergie utile produite par un système à l'énergie utilisée par le système pour produire l'énergie utile. η : rendement E utile : énergie utile produite par un dispositif E dépensée : énergie dépensée produite par un dispositif La relation de décrivant l'effet Joule est la relation. Évidemment, la puissance dissipée s'obtient en divisant l'énergie par le temps d'utilisation. La loi de Joule s'énonce comme suit : L'énergie dissipée dans un conducteur est directement proportionnelle à la résistance du conducteur, au temps d'application du courant et au carré du courant électrique. Effet Joule E : énergie dissipée dans un élément de circuit (J) P : puissance dissipée dans un élément de circuit (W) R : résistance de l'élément de circuit (Ω) I : courant traversant l'élément (A) t : durée d'utilisation de l'élément (s) Ainsi, lorsqu on désire transporter l énergie électrique, c est préférable d avoir la résistance électrique la plus faible possible pour perdre le moins de chaleur possible dans la ligne. Au contraire, lorsqu on désire faire un élément chauffant, alors on cherche à ce que l énergie électrique perdue en chaleur soit la plus élevée possible. Au Québec, on transporte le courant dans des lignes dont la tension est le plus souvent 735 kv. Lecture p.152-155 Page 11 de 14
Exercices 1. On applique une ddp de 20 V aux bornes d'un conducteur de 10 Ω. a) Quelle est la puissance dissipée dans le conducteur? b) Que peut-on faire pour doubler le courant circulant dans le conducteur? c) Quelle est la puissance dissipée dans le conducteur, lorsqu'on double le courant électrique y circulant? d) Quelle est la puissance dissipée dans le conducteur si le courant qui y circule est 10 fois plus grand? 2. Un circuit ayant une résistance de 50 Ω fonctionne sous une tension de 125 V. Que devient la puissance dissipée dans le circuit si on réduit sa résistance de moitié? 3. Pour fabriquer l élément chauffant d un calorifère, ça prend une résistance intermédiaire... pourquoi? 4. On branche 3 éléments sous une tension de 125 volts chacun. Le premier élément a une résistance de 0Ω, le second a une résistance de 40Ω et le troisième a une résistance de 500Ω. Calcule l énergie perdue dans chacun des éléments en 1 minute. Page 12 de 14
F- Électricité et chaleur Le courant électrique cause un échauffement du circuit où il circule. Cependant, cette chaleur ne correspond pas nécessairement à une perte énergétique et on peut la récupérer à d'autres fins. On peut ainsi chauffer une maison à l'aide de calorifères électriques, faire chauffer un four pour faire cuire un roti ou simplement faire chauffer de l'eau pour faire un café ou pour prendre un bain. E : Énergie dépensée par un élément de circuit (J) U : Tension aux bornes de l'élément (V) I : Courant circulant dans l'élément (A) t : Durée d'utilisation de l'élément (s) R : Résistance de l'élément de circuit (Ω) P : Puissance consommée par l'élément de circuit (W) Prenons le cas d'un chauffe-eau. L'énergie électrique consommée dans l'élément se transforme en chaleur. Cette dernière est transmise à l'eau laquelle voit sa température augmenter. James Joule montra dans une série e d'expérience au milieu du XIX siècle qu'il y a équivalence entre l'énergie électrique consommée et l'énergie thermique qu'absorbe l'eau. Q : énergie thermique absorbée ou transmise par une substance (J) c : chaleur massique de la substance (J/g C) m : masse de la substance chauffée (g) T : variation de température de la substance ( C) NB Ne pas confondre «q» de la charge électrique et «Q» de l'énergie thermique. Exercices 1. Calcule : La quantité d'énergie consommée par un résistor... a)...de 20 Ω, pendant 2 minutes... Lecture p.156-159 p.461-463...sous une tension U = 10 V I = E =...sous une tension U = 20 V I = E = E = U I t Si on double U, I et alors E est 2 ou E = R I t Si le courant est, alors E est b)...de 10 Ω, durant 2 minutes......sous une tension U = 10 V I = E =...sous une tension U = 40 V I = E = ( fois plus grand) Page 13 de 14
2. Que se passerait-il si un appareil conçu pour fonctionner sous une tension de 125 V était branché sous une tension de 250 V? U = RI E = U I t...si on augmente le potentiel sans changer la résistance (ce qu'on fait ici), alors le courant circulant dans l'appareil......et alors, la ddp et le courant étant doublés, l'énergie absorbée par l'appareil est fois plus grande. L'appareil va. 3. En Europe, où la tension est de 220 V, comment fait-on pour protéger son rasoir ou son sèche-cheveux? 4. Comment fonctionne un fusible? 5. Un chauffe-eau de 3000 W fonctionnant sur 250 V est rempli avec 108 L d eau à 5 C. Après combien de temps la température sera-t-elle de 75 C? 6. Un élément cauffant de dont la résistance est de 100 Ω est branché sur une prise de courant ordinaire afin de chauffer 750 g d éthylène-glycol dont la température initiale est de 8 C. La chaleur massique de l éthylèneglycol est de 2,2 J/g C. Quelle est sa température après 15 minutes d'utilisation? 7. Complète l'expérience suivante. Expérience 11 - Énergie électrique et énergie thermique Page 14 de 14