Energie et puissance en électricité ou électrotechnique

Etude en physique des notions d'énergie, de travail et de puissance puis vu du côté électrique.

Définition de l'énergie

Un corps possède de l'énergie lorsqu'il peut fournir du travail ou de la chaleur.

Quelques sources d'énergie

Le soleil, le bois, le charbon, le pétrole, le gaz, les matériaux nucléaires, les réserves d'eau, le vent ... sont des sources d'énergie.

Les formes d'énergie

L'énergie peut se présenter sous des formes très diverses :
- l'énergie mécanique qui se présente sous deux formes :
   -> cinétique si les corps sont en mouvement (l'eau qui tombe d'un barrage)
   -> potentielle si l'énergie est en réserve (l'eau stockée derrière un barrage)
- l'énergie thermique ou calorifique
- l'énergie chimique
- l'énergie rayonnante ou lumineuse
- l'énergie nucléaire
- l'énergie électrique

Unités d'énergie

L'énergie, comme le travail qu'elle peut produire, se mesure en Joules (J).
Elle se note W. ==> Exemple : W = 450 J
 
Dans certains cas, on utilise d'autres unités :
- la calorie : 1 cal = 4,18 J.
- la thermie : 1 Th = 1000000 cal
- le wattheure : 1 Wh = 3 600 J
   -> le Kilowattheure : 1 KWh = 1000 Wh = 3 600 000 J

Transformations de l'énergie

Dans toute transformation, l'énergie se conserve en quantité. L'énergie produite et l'énergie "disparue" sont égales.
 
Exemple : un moteur électrique absorbe de l'énergie électrique et produit de l'énergie mécanique (rotation) et de l'énergie thermique (frottements et échauffement des fils).

Énergie électrique = Énergie mécanique + Énergie thermique
 
Dans cet exemple, seule l'énergie mécanique produite par le moteur est utile (Wu).
La chaleur qui apparaît est une perte (Wp). L'énergie électrique consommée par le moteur est l'énergie absorbée (Wa).
Nous avons donc la relation suivante :

Wa = Wu + Wp

Rendement énergétique

Le rendement est le rapport entre l'énergie utile (Wu) et l'énergie absorbée (Wa).

 
Le rendement est toujours inférieur ou égal à 1.

Puissance

L'énergie peut produire un travail mécanique, c'est à dire un mouvement. Or un même travail peut être effectué en des temps différents.
 
Exemples :
 
- Un ouvrier monte sur son dos un sac de 35 kg au 4ème étage d'un immeuble ; il met 3 minutes.
=> Un monte charge peut faire le même travail en 20 secondes.
 
- Une camionnette de 500 kg de charge utile fera 10 fois plus de voyages qu'un camion de 5 tonnes pour transporter 10 tonnes de marchandises.
Pour un temps donné, plus une machine fournira de travail plus elle sera puissante.

Définition de la puissance

La puissance d'une machine est l'énergie qu'elle fournit en 1 seconde.
La puissance se note P.
Elle se mesure en Watt.
 

 
W en Joule
t en seconde
P en Watt
 
Par extension nous avons   W = P . t
 
Si t est en heure, W s'exprime en Wattheure.
 
Remarque :
 
On rencontre encore en mécanique comme unité de puissance, le cheval-vapeur (ch ou CV).
1 ch = 736 W

Rendement

Le rendement est le rapport entre Wu et Wa ;
or
Wu = Pu . t
et
Wa = Pa . t

Avec :
Pu = puissance utile
Pa = puissance absorbée
 

Energie et puissance électrique

Energie électrique

Si le récepteur est soumis à une tension U et qu'il est traversé par un courant d'intensité I pendant un temps t il va absorber de l'énergie électrique.
Cette énergie est notée W
W = U.I.t
Avec :
U en Volt
I en Ampère
t en seconde
W en Joule
Remarque: si le temps t est mesuré en heure, W est obtenu en Wattheure ; (Wh).
Le wattheure : 1 Wh = 3600 J
le Kilowattheure : 1 KWh = 1000 Wh = 3 600 000 J

Mesure de l'énergie électrique

L'énergie électrique qui nous est fournie par le réseau électrique est mesurée par un compteur (watt-heuremètre ou énergiemètre) placé à l'entrée de l'installation. Cet appareil est gradué en Kilowattheure. Anciennement les compteurs utilisés possédaient un disque d'aluminium qui tournait plus ou moins vite selon les appareils qui étaient en fonctionnement. Un tour de disque correspondait à l'enregistrement d'une énergie appelée constante du compteur (cette valeur, notée K, est indiquée sur l'appareil ; exemple : K 2 Wh /tr).
Actuellement avec les nouvelles options tarifaires, les distributeurs d'énergie électrique installent des compteurs électroniques.
Symbole du wattheuremètre :

En courant continu ou pour un appareil résistif, l'énergie consommée peut être obtenue en mesurant la tension, l'intensité du courant, le temps de fonctionnement et en faisant le produit de ces trois valeurs.

Puissance électrique

Rappels :

et   W = U.I.t
 
D'ou :
 
donc : P = U . I
 
Avec :
U en Volt
I en Ampère
P en Watt

La puissance fournie par le générateur est égale la puissance absorbée par le récepteur.

Mesure de la puissance électrique

On utilise un Wattmètre . C'est un appareil qui possède des bornes "intensités" qui seront raccordées en série avec le récepteur ou par une pince ampèremètrique et des bornes "tensions" qui seront raccordées en parallèle sur le récepteur.

Si l'aiguille de l'appareil dévie dans le mauvais sens il faut inverser le branchement des bornes intensités ou celui des bornes tensions.
Pour les appareils de mesures électroniques et numériques la valeur se lit directement. En courant continu ou dans le cas de récepteur résistif, la puissance peut être obtenue en mesurant la tension et l'intensité du courant et en faisant le produit de ces deux valeurs.
Il existe maintenant des appareils de mesure qui, sous la forme d'une pince ampèremètrique, sont capables de mesurer la puissance, l'intensité, la tension, et d'autres grandeurs physiques (fréquence, harmoniques, Cos phi...)

Exercices sur la puissance, la quantité d'électricité et l'énergie

1 - Une batterie d'accumulateurs a fournie une quantité d'électricité de 60.000 Coulombs pendant une minute.
Calculer l'intensité du courant débité par la batterie.
 
2 - Une batterie d'accumulateurs se décharge complètement en trois heures lorsqu'elle débite 10 Ampères.
Calculer la capacité de la batterie en ampères-heures.
 
3 - Une lampe à incandescence fonctionne 10 heures par jour et est traversée par un courant de 0,8 A.
Calculer en Ampères-heures et en Coulombs la quantité d'électricité consommée en un mois de trente jours.
4 - Un récepteur alimenté sous une tension de 100V est traversé par un courant de 5 A pendant deux heures.
Calculer la puissance du récepteur.
Calculer l'énergie absorbée par ce récepteur.
 
5 - Un récepteur est traversé par un courant de 10 ampères pendant 3 s.
Calculer la quantité d'électricité absorbée par ce récepteur.
Calculer l'énergie absorbée par ce récepteur s'il a été alimenté sous une tension de 400 V.
 
6 - Un récepteur soumis à une tension de 100 V absorbe une puissance de 900W.
Calculer l'intensité du courant qui le traverse.
 
7 - Un moteur électrique est traversé par un courant continu d'intensité de 6 A sous 120 V.
Calculer la puissance qu'il absorbe.
 
8 - Un récepteur qui absorbe une puissance 1500 W est traversé par un courant de 8 A.
Calculer la tension à laquelle est soumis ce récepteur.