Chapitre 4: Puissance et énergie électrique

(1)

Chapitre 4:

Puissance et énergie

électrique

(2)

Commençons par des choses tellement simples à comprendre…

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.

(3)

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.

(4)

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

 Le marathonien finlandais est capable de courir le 100 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 (Mark Cavendish) a de grosses cuisses et est capable d’accélérer très fort à

l’approche de la ligne d’arrivée contrairement

à un grimpeur (Thomas Voeckler) « fin et sec » doué en montagne et endurant.

(5)

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

18^ème siècle).

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

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.

(6)

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 :

1mW = 1 milliwatt = 10

^-3

W

1 kW = 1 kilowatt = 1000 W 1 MW = 1 mégawatt = 10

⁶

W 1 GW = 1 gigawatt = 10

⁹

W

1 TW = 1 térawatt = 10

¹²

W

Réacteur nucléaire : puissance 1 gigawatt en moyenne Eolienne: 1 Mégawat

(7)

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 :

1mW = 1 milliwatt = 10

^-3

W

1 kW = 1 kilowatt = 1000 W 1 MW = 1 mégawatt = 10

⁶

W 1 GW = 1 gigawatt = 10

⁹

W

1 TW = 1 térawatt = 10

¹²

W

Réacteur nucléaire : puissance 1 gigawatt en moyenne Eolienne: 1 Mégawat

(8)

CO LL ER LE TP

PU ISS AN CE

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

(9)

(10)

lampe

générateur 5 fils

voltmètre ampèremètre

Mesurer la tension et l’intensité d’une lampe alimentée par un générateur avec un voltmètre et un ampèremètre

U = 5,98 V et I = 0,29 A

P = 5,98 x 0,29 =1,73 W P = 5,98 / 0,29 = 20,6 P = 5,98 + 0,29 =6,27 P = 5,98 - 0,29 =5,69

OK PAS OK

PAS OK PAS OK Albert Einstein

Gustav Hertz P et M Curie

P = U / I P = U + I P = U - I

C’est Max Planck qui a raison: la formule de la puissance nominale est: P = U x I

(11)

Pour le phare avant, j’ai mesuré

I = 2,5 A

Pour le phare arrière, sa puissance est de P = 4

W.

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

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

(12)

C/ BILAN

En continu

^:

Un appareil alimenté sous une tension nominale U est traversé par un courant d’intensité I a pour puissance nominale P:

La formule ne marche que pour les appareils à résistances chauffantes (radiateur, four, fer à repasser, plaque électrique, sèche-cheveu) .

Pour les autres appareils, c’est quasiment la même chose

En alternatif

^:

C’est la même formule sauf qu’on utilise les valeurs efficaces

On en déduit

^:

U = P / I I = P / U

P _{Watt (W)} = U _{Volt (V)} x I _{Ampère (A)}

P

_{Watt (W)}

= Uef

_{Volt (V)}

x Ief

_{Ampère (A)}

(13)

Application

: Calcule le courant efficace I_eff circulant dans les appareils ci-dessous:

I _eff (lave linge) = I _eff (cafetière) = I _eff (radiateur) = I _eff (télé) =

I _eff (grille-pain) =

P / U = 2000 / 230 = P / U = 800 / 230 =

P / U = 1500 / 230 = P / U = 45 / 230 =

P / U = 920 / 230 =

8,7 A 3,5 A

6,5 A 0,2 A

4,0 A

(14)

D/ TP: Puissance totale d’une habitation

(15)

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

6 fils

Voltmètre Ampèremètre Générateur

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

6,00 0,30

6,00

0,30 0,30

P₁ = 1,8 P₂ = 1,8 P_générateur = 3,6

(16)

Oui, le générateur est le seul appareil délivrant de l’énergie dans le circuit  P_générateur = P_totale

P₁ + P₂ = 1,8 +1,8 = 3,6 W = P_générateur = P_totale

P₁ + P₂ + P₃+ P₄+P₅ C’est donc Louis de Broglie qui a raison.

P_totale = 2500 + 1800 + 200 = 4500 W I_totale = 4500/230 = 19,6 A

(17)

(18)

(19)

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 I

_max

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

(20)

SURINTENSITE

FUSIBLES

Vidéo multiprise

(21)

phase 230 V

neutre 0 V

Terre

Electrocution Electrocutionrien 230 - 0 = 230 V

(22)

B/ Les diférents 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 permetent de couper le courant en cas de surintensité :

(23)

(24)

(25)

saute réarmé

appareils

sautent fond

appareils

saute 30

appareils personnes

(26)

OUI OUI OUI OUI NON NON OUI NON

OUI OUI OUI

OUI OUI

NON

NON NON

VIDEO CPS

(27)

(28)

(29)

en dérivation

compteur

(30)

(31)

(32)

Consommation de différents appareils électriques sur une année (EDU)

(33)

Installation électrique avec compteur (EDU)

(34)

(35)

(36)

 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.

(37)

prix à payer:

Consommation en kWh x

prix du kWh

Exemple 1

Date de la facture 2003 Puissance

souscrite

9 kW

Option HC / HP

Prix de l’abonnement

13,47 € / mois Prix du kWh en

heures pleines

0,0777 € Prix du kWh en

heures creuses

0,0462 €

(38)

(39)

(40)

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

(41)

(42)

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.

video

(43)

Ex erc ice s

(44)

(45)

(46)

Quizz compteur electrique (EDU)

(47)

Quizz installation électrique (EDU)

(48)

(49)

Ex 3 p 239 :

1. voltmètre en dérivation ampèremètre en série 2. P_eff = U_eff x I_eff

= 5,8 x 0,41

≈ 2,4 W

3. Oui car ≈ P_eff _nominale .

(50)

Ex 3 p 239 :

1. voltmètre en dérivation ampèremètre en série 2. P_eff = U_eff x I_eff

= 5,8 x 0,41

≈ 2,4 W

3. Oui car ≈ P_eff _nominale .

Ex 7 p 240 : 1.

2. U_eff  voltmètre en position alternatif (~).

(51)

Ex 7 p 240 : 1.

3. U_eff = 6,35 V I_eff = 60,4 mA

4. P_eff = U_eff x I_eff

= 6,35 x 60,4 x 10^-3

≈ 0,38 W

5. Non car < P_eff _nominale .

(52)

3. U_eff = 6,35 V I_eff = 60,4 mA

4. P_eff = U_eff x I_eff

= 6,35 x 60,4 x 10^-3

≈ 0,38 W

5. Non car < P_eff _nominale .

Ex 9 p 241 :

1. Pfonctionnement = 13 W 2. U_nominale = 220 à 240 V

3. ftension d’alimentation = 50 à 60 Hz 4. P_veille < 1 W

(53)

(54)

Ex 13 p 241 :

1. P_max = 3680 W

2. P_totale = 350 + 13 + 380

= 743 W

P_totale < P_max  aucun risque 3. P_totale = 2 500 + 3 300

= 5 800 W

P’_totale > P_max  risque d’une surintensité

(55)

2. P_totale = 350 + 13 + 380

= 743 W

P_totale < P_max  aucun risque 3. P_totale = 2 500 + 3 300

= 5 800 W

P’_totale > P_max  risque d’une surintensité Ex 10 p 241 :

1. rôle de protection en « coupant » le circuit en cas de surintensité.

2. Ieff déclenchement = 10 A

3. I_eff = Ptotale : U

= ( 150 + 1 200 ) : 230

= 1 350 : 230

≈ 5,9 A

4. I_eff<Ieff déclenchement  pas de déclenchement

(56)

(57)

Ex 2 p 239 :

1. kWh  énergie électrique 2. E = 22 584 – 22 569

= 15 kWh

(58)

Ex 2 p 239 :

1. kWh  énergie électrique 2. E = 22 584 – 22 569

= 15 kWh Ex 6 p 240 : 1. E = P x t

= 380 x ( 2 x 60 x 60)

= 2 736 000 J E = P x t

= 380 x 2

= 760 Wh

= 0,76 kWh 2. le kWh

3. 0,76 x 0,12 = 0,0912 €

(59)

Ex 6 p 240 : 1. E = P x t

= 380 x ( 2 x 60 x 60)

= 2 736 000 J E = P x t

= 380 x 2

= 760 Wh

= 0,76 kWh 2. le kWh

3. 0,76 x 0,12 = 0,0912 € Ex 12 p 241 :

1. 1 h

2. E = P x t

= 30 x 1

= 30 Wh

= 0,03 kWh

3. 0,03 x 0,12 = 0,0036 €

Chapitre 4: Puissance et énergie électrique

Chapitre 4:

Puissance et énergie

électrique

Commençons par des choses tellement simples à comprendre…

Exemple 1 :

Exemple 2 :

1/ Puissance nominale P

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 :

1mW = 1 milliwatt = 10

W

1 kW = 1 kilowatt = 1000 W 1 MW = 1 mégawatt = 10

W 1 GW = 1 gigawatt = 10

W

1 TW = 1 térawatt = 10

W

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 :

1mW = 1 milliwatt = 10

W

1 kW = 1 kilowatt = 1000 W 1 MW = 1 mégawatt = 10

W 1 GW = 1 gigawatt = 10

W

1 TW = 1 térawatt = 10

W

CO LL ER LE TP

PU ISS AN CE

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

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

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

C/ BILAN

En continu

Un appareil alimenté sous une tension nominale U est traversé par un courant d’intensité I a pour puissance nominale P:

En alternatif

C’est la même formule sauf qu’on utilise les valeurs efficaces

On en déduit

U = P / I I = P / U

P Watt (W) = U Volt (V) x I Ampère (A)

P

= Uef

x Ief

Application

I eff (lave linge) = I eff (cafetière) = I eff (radiateur) = I eff (télé) =

I eff (grille-pain) =

P / U = 2000 / 230 = P / U = 800 / 230 =

P / U = 1500 / 230 = P / U = 45 / 230 =

P / U = 920 / 230 =

8,7 A 3,5 A

6,5 A 0,2 A

4,0 A

D/ TP: Puissance totale d’une habitation

6 fils

Voltmètre Ampèremètre Générateur

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

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 I

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

P _{Watt (W)} = U _{Volt (V)} x I _{Ampère (A)}

I _eff (lave linge) = I _eff (cafetière) = I _eff (radiateur) = I _eff (télé) =

I _eff (grille-pain) =