!-- FIN MENU DHTML //////////////////////////////////////////// --> Energie et puissance électrique.

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1. Un peu d'histoire.

Physicien britannique né à Salford, près de Manchester, en 1818 Décédé à Sale, Cheshire, en 1889 James Prescott Joule était un expérimentateur particulièrement doué, capable de concevoir des instruments d'une très grande efficacité. Parmi ses réalisations, plusieurs faisaient intervenir des moyens très variés (électricité, friction, compression de gaz...) pour produire de la chaleur. Joule était un industriel. Il possédait une brasserie en Angleterre, mais sa passion de savant amateur lui valut une solide réputation dans les milieux scientifiques. Il étudia la chaleur dégagée lors du passage du courants électriques dans les conducteurs. Joule donna des preuves expérimentales de l'équivalence entre le travail mécanique et la chaleur et détermina l'équivalent mécanique de la calorie (1842). En fait, la relation étroite entre la gravité, l'électricité, la chaleur et le mouvement faisait déjà l'objet d'un article écrit par Julius Robert Mayer. Le style métaphysique, jugé peu professionnel, de ce médecin allemand n'a pas permis de porter immédiatement un jugement élogieux sur ses travaux. Très affecté, Mayer tenta de se suicider en 1849 et, après une période de dépression mentale dont il ne se remettra jamais, il acheva sa vie dans l'ombre. Indépendemment des travaux expérimentaux de Joule, la formalisation de la conservation de l'énergie lors d'échange de travail et de chaleur peut être portée au crédit de Hermann von Helmholtz, autre médecin allemand auteur d'un des plus importants articles scientifiques du 19ème siècle.

James Watt. Ingénieur britannique. Brillant élève de Black, il est l'inventeur de la machine à vapeur à piston (1869).

2. Notion d'énergie électrique.

C'est l'énergie électrique que nous consommons qui nous est facturée par EDF.
Elle est mesurée par le compteur.


• La loi de Joule.
  
Le passage d'un courant d'intensité I dans une résistance R dissipe par effet Joule l'énergie W = RI²t. On se propose de vérifier cette loi en plaçant la résistance (dont la valeur est supposée indépendante de la température) dans un calorimètre.
On supposera que la chaleur massique de l'eau est constante et que l'équivalent en eau du calorimètre est le même pour tous les essais.
Dans ces conditions, la quantité de chaleur dégagée est proportionnelle à l'élévation de température observée pendant l'expérience.

***Connexion Internet requise***
Applet de l'Université du Mans




L'applet :
En déplaçant le curseur rouge avec la souris, il est possible de faire varier l'intensité du courant dans la résistance R (40 ohms) entre 0 et 5 A. On ferme le circuit en cliquant sur le bouton Départ. On remet alors le chronomètre à zéro et on fixe la température initiale de l'eau du calorimètre à 20 °C.
En cliquant à nouveau sur le bouton, on ouvre le circuit et on arrête le chronomètre.
Vérifier que l'énergie est proportionnelle au temps écoulé et qu'elle est proportionnelle au carré de l'intensité du courant.

L'augmentation de la température Dq donc de l'énergie (il y a ici transformation de l"énergie électrique en énergie calorifique appelée effet Joule). est proportionnelle au temps.
Dq = KDt

Dq = K I²

W = RI2t Avec W en j, R en W et t en s

3. Notion de puissance électrique.

Sur un aspirateur on peut lire: 220 V~ 750 W
L'appareil doit être branché sur le 220 V alternatif (secteur).
Sa puissance électrique sera alors de 750 W.

La puissance s'exprime en Watts (W) alors que l'énergie électrique s'exprime en Joules (j).
Joules, watts-heure et kWh
W = P x t
Si P = 1 W et t = 1 s alors W = 1 J
Si P = 1 W et t = 1 h alors W = 1 Wh
1 Wh = 1 x 3 600
1 Wh = 3 600 J = 3,6 kj
Si P = 1 kW et t = 1 h alors W = 1 kWh
1 kWh = 1 000 x 3 600 = 3 600 000 j = 3,6 Mj
La calorie n'est plus utilisée de nos jours.


• Les relations.
  
  

  P = U x I Avec P en W, U en V et I en A Attention!! En alternatif cette formule n'est pas toujours vraie, il fait tenir compte du déphasage. On a alors P = Ueff x Ieff x cos F

  
  
  En appliquant la loi d'Ohm (U = RI), on a :
  
  

  P = R x I2 Avec P en W, I en A et R en W

  
  
  En appliquant la loi d'Ohm (I = U / R), on a :
  
  

  P = U2 / R Avec P en W, U en V et R en W

  
  
  En utilisant le triangle, vous devez retrouver toutes les formules qui découlent de ces formules. Les voici:
  
  U = P / I, I = P / U, R = P / I²
  
  I = , R = U² / P
  
  U = , R = P / I²

4. Energie et puissance.

W = P x t Avec W en j, P en W et t en s



En appliquant P = UI, on a :



W = U x I x t Avec W en j, I en A, U en V et t en s



En appliquant U = RI dans W = UIt, on a:



W = R x I2 x t Avec W en j, I en A, R en W et t en s



Exercices résolus


Exercice 1        ***Besoin d'une calculatrice?***



Solution Essayez de résoudre seul(e) ces exercices. Calculons la tension aux bornes de la résistance R. U = E - rI U = 12 - 40 x 0,05 U = 10 V P = UI P = 10 x 0,05 P = 0,5 W




Exercice 2        ***Besoin d'une calculatrice?***



Solution Essayez de résoudre seul(e) ces exercices. P = U2 / R P = 40 x 40 / 200 P = 8 W




Exercice 3        ***Besoin d'une calculatrice?***



Solution Essayez de résoudre seul(e) ces exercices. P = U2 / R P = 20 x 20 / 100 P = 4 W W = P x t W = 4 x 20 x 60 W = 4 800 j = 4,8 kj




Exercice 4        ***Besoin d'une calculatrice?***



Solution Essayez de résoudre seul(e) ces exercices. Appliquons I = U = (2 / 1 000)0,5 (la puissance 0,5 d'un nombre est sa racine carrée). I = 0,044 A = 44 mA




Exercice 5        ***Besoin d'une calculatrice?***



Solution Essayez de résoudre seul(e) ces exercices. I = P / U I = 25 / 12 I = 2,08 A Cette intensité est importante. L'ampèrage des lampes de voitures est grand.