Leçon 5
Puissance – Énergie et travail électrique 1. Puissance électrique :
Lorsqu’un moteur électrique tourne, lorsqu’une lampe brille, il est naturel de penser que ces appareils consomment une certaine quantité d’énergie électrique.
Si l’on veut savoir quel est le plus économique de deux appareils électriques, il faut connaître leur consommation d’énergie pendant un même temps d’utilisation, par exemple une seconde (cela pourrait être une heure).
Cette énergie électrique, consommée pendant l’unité de temps, est appelé puissance électrique.
Tout appareil électrique doit comporter sur son boîtier ou son socle une indication de puissance.
Les appareils électriques portent au moins deux inscriptions : une première exprimée en volts (symbole V), indiquant la tension d’utilisation, et une seconde exprimée en watts (symbole W), indiquant la puissance de l’appareil.
Par exemple un fer à souder porte les inscriptions « 220V » et « 60W ». La mention « 220V » signifie que ce fer a été fabriqué pour fonctionner normalement sous une tension 220 volts. On dit que 220 volts est sa tension nominale. La puissance électrique consommée sera alors de 60 watts.
On dit 60 watts est sa puissance nominale.
Les lampes d’usage courant ont des puissances nominales de 40W, 60W ; 75 W ou 100W.
Les lampes de « grande puissance » ont des puissances nominales allant de 150W à 2000W ; elles sont, par exemple, utilisées dans des projecteurs.
Pour fonctionner normalement, un appareil électrique doit être alimenté sous sa tension nominale.
■ La puissance électrique consommée par un appareil est égale au produit de l’intensité qui le traverse, par la tension qui existe entre ses bornes.
P = U x I (W) (V) (A)
D’après la loi d’Ohm on a: U = R. I; en remplaçant U par RI dans la précédente formule on obtient la formule suivante:
P = R. I. I = R. I2 Ou: P = R I2 =
R U
2
R I U
Les multiples de Watts
1 kW = 1 000 W = 103 W et 1 MW = 1 000 000 W = 106 W
2. Énergie et travail électrique :
2.1. Énergie électrique :
Lorsqu’un appareil est traversé par un courant il fonctionne. Par exemple : la lampe brille, le four électrique chauffe, le ventilateur tourne …….. Cela montre que le courant possède l'énergie électrique. Cette énergie peut être transformée en d'autres formes d'énergie ; par exemple : en énergie thermique dans les plaques électriques, en énergie lumineuse dans les lampes, en énergie mécanique dans les moteurs.
L'énergie électrique E consommée par un appareil recevant une puissance électrique p pendant une durée t est donnée par la relation :
E énergie en J E = p x t p puissance en W t temps en s
• Si la puissance p est en watt et le temps t en heure, l'énergie E s'exprime en Wh (wattheure).
1 wh = 1W x 1 h = 1 W x 3600 s = 3 600 J 1 Wh = 3 600 J
• Si la puissance P est en kW et le temps est en heure, l'énergie E s'exprime en kWh (kilowattheure).
1 kWh = 1 kW x 1 h = 1 000 W x 3 600 s = 3 600 000 J 1 kWh = 3 600 000J
2.2. Travail électrique :
Un circuit électrique comportant un récepteur, est branché à un générateur de tension U.
Lorsqu'il est traversé par un courant d'intensité I, des charges électriques y ont passé de valeur Q et fournissent le travail W.
La relation entre W, U, Q et I s'exprime suivant ces formules : W = Q x U mais Q = I x t alors : W = U x I x t
Pour des appareils électriques de résistance R ; on a U = I R, en remplaçant U par RI on obtient :
W = R x I2 x t ou
R t
= U W
2
La formule générale : W = U I t et p = U I ; en remplaçant UI par p on obtient la formule suivante : W = p x t
L’unité de travail électrique est le joule, symbole J, du nom physicien britannique James JOULE (1818-1889) ou calorie (caℓ) comme l’unité du travail mécanique et travail thermique, le travail électrique produit dans une portion est égale à la quantité d’énergie électrique dans cette portion pour se transformer en d’autres formes d’énergie.
Application numérique 1:
Un four électrique de puissance 1000W. Quelle est l’énergie consommée en 1h par ce four ? Réponses :
Données : p = 1000W ; t = 1h ; W = ? Wh = ? J Calculer l’énergie consommée :
On a: W = p x t = 1000W x 1h = 3 600Wh = 3 600 000J Alors : W = 3600Wh = 3,6 kWh
Dans une installation domestique ou industrielle, plusieurs appareils peuvent fonctionner simultanément. Chaque appareil fonctionne sous une tension de 220V ; l’énergie électrique consommée dans un mois dépend du nombre d’appareils électriques, la puissance nominale et la durée utilisée.
Pendant que l’appareil fonctionne, le disque du compteur tourne. L’entreprise Electricité du Laos (EDL) place un compteur dans chaque installation pour mesurer et enregistrer la quantité d’énergie électrique fournie aux utilisateurs. Le prix à payer qu’indique une facture EDL est la somme du montant dans le mois que l’usager a consommée.
Application numérique 2 :
Pour faire rôtir un poulet dans un four électrique de puissance 2000W, le système de chauffage du four doit fonctionner pendant 1h.
a) Calculer l’énergie utilisée par le four pour cuire ce poulet.
b) Quel est le coût de la cuisson pendant 1 mois (30 jours) si on utilise le four 1h par jour.
Sachant que le prix de 1kWh est 310 kips.
Réponses :
P = 2000W ; t = 1h/jour
a) Calculer l’énergie utilisée par le four pour cuire ce poulet.
On a: W = p x t = 2000 W x 1h = 2000 Wh
b) Calculer l’énergie utilisée par le four pendant un mois : On a: W = p x t = (2000W x 1h) x 30 = 60 000 Wh = 60 kWh Alors: W = 60 kWh
Calculer le coût que l’on doit payer pendant un mois : 60 kWh x 310 kips/kWh = 18 600 kips
L’argent que l’on doit payer est : 18 600 kips
3. La mesure du travail électrique:
Le compteur électrique comporte un cadran qui indique la consommation d’énergie exprimée en kilowatt-heure (symbole : kWh).
Première mesure : énergie reçue par un seul appareil
Quelle est la quantité d’énergie reçue par un grille-pain électrique pour griller deux morceaux de pain ?
On relie le grille-pain à la prise de courant du montage.
On observe que, pendant que l’appareil fonctionne, le disque du compteur tourne. Lorsque le pain est grillé, le disque a effectué à peu près 4 tours.
C’est-à dire que pour griller les morceaux de pain, l’appareil a utilisé une quantité d’énergie E, correspondant à 4 tours du disque environ.
Chaque tour du disque représente une énergie égale à C = 4Wh. C = constante du compteur.
Pour 4 tours l’énergie E est égale à C = 4 Wh E = (4 x 4) Wh = 16 Wh
Deuxième mesure : énergie reçue par une installation
Quelle est la quantité d’énergie reçue par une installation comportant plusieurs appareils montés en dérivation ?
Activité : Dans une maison, plusieurs appareils peuvent fonctionner simultanément ; par exemple : un fer à repasser, un autocuiseur, un four électrique et une lampe d’éclairage, de puissances respectives p1 = 800W, p2 = 600W, p3 = 1500W et p4 = 40W. Chaque appareil fonctionne sous une tension de 220V. Nous pouvons calculer l’énergie consommée par la durée de chaque appareil ; par exemple : t1 = 1h, t2 = 30mn, t3 = 1h30mn et t4 = 4h.
Nous les notons dans un tableau pour calculer l’énergie consommée : E = p x t
Ordre Appareils électriques
Puissance nominale
Durée de service
Energie consommée (kWh) 1
2 3 4
fer à repasser autocuiseur four électrique lampe d’éclairage
800W = 0,8kW 600W = 0,6kW 1500W = 1,5kW
40W = 0,04kW
1h 30mn = ½ h 1h30mn = 3 ½ h
4h
E1= 0,8 x 1 = 0,8kWh E2= 0,6 x ½ = 0,3kWh E3= 1,5 x 3 ½ = 5,25kWh E4= 0,04 x 4 = 0,16kWh
Total E = 6,51kWh
L’énergie utilisée par l’ensemble des appareils électriques est égale à la somme des énergies utilisées par chaque appareil:
E = E1 + E2 + E3 + E4
4. Utilisation d’énergie électrique :
L’électricité fait partie de notre vie quotidienne et, pour peu qu’on réfléchisse à son
utilisation, on se rendra compte qu’elle est devenu indispensable (éclairage, télévision, transport, chauffage …..).
L’énergie électrique est l’énergie propre, ne pollue pas l’environnent, on apprécie que l’électricité comme élément de confort.
Actuellement, les producteurs fabriquent les divers appareils électriques, de la plus simple au plus compliqué.
Les divers appareils électriques :
- Des appareils électriques fournissent l’énergie rayonnante : ampoule, tube fluorescente….
- Des appareils électriques fournissent l’énergie thermique : fer à repasser, autocuiseur, plaques électriques, chauffe-eau, four électrique, fer à souder, perceuse
électrique……….
- Des appareils électriques fournissent l’énergie mécanique : moteur électrique, ventilateur, sèche-cheveux, pressoir à fruits, machine à laver ……….
- Des appareils électriques fournissent l’énergie sonore : sonnerie, radio, téléphone ……
