Énergie et puissance électrique
Énergie et puissance électrique
Puissance et énergie
Rappel : la puissance est l’énergie reçue ou cédée par unité de temps (en une seconde). On a alors la relation : $ P = \dfrac{E}{Δt}$.
$P$ la puissance en Watts, l’énergie $E$ en Joules et la durée en secondes. Il arrive que la durée soit exprimée en heures, par exemple quand on regarde les consommations d’énergie électrique dans les appartements ou les bâtiments. On a alors $E = P \times Δt$.
Si $P$ est exprimée en $W$ et $Δt$ en heures on a une autre unité utilisée pour l’énergie c’est les $W.h. 1W.h = 3600 J.$ On peut utiliser cette relation quand il y a des conversions à faire entre le Joule et les W.h.
Récepteur et générateur
Il y a deux types de dipôles en électricité : les récepteurs et les générateurs. Avec les chaînes énergétiques, on peut résumer le fonctionnement de ces deux types de dipôles de la manière suivante :
Un récepteur est un dispositif qui reçoit de l’énergie électrique et qui fournit un autre type d’énergie avec toujours des pertes (à ne pas oublier). Exemples de récepteur : moteur, lampe, radiateur.
Un générateur, c’est l’inverse, il reçoit une forme d’énergie qui n’est pas électrique et fournit une énergie électrique en sortie avec toujours des pertes. Exemples de générateurs : pile, dynamo, éolienne.
Puissance électrique
Quand on est sur des récepteurs ou générateurs électriques on exprime la puissance électrique de la manière suivante : $P = U \times I$, avec $U$ la tension en Volts, $I$ l’intensité du courant électrique qui traverse le dipôle étudié et qui s’exprime en Ampères. La puissance est en Watts.
Quelques rappels sur les circuits électriques
Si on veut mesurer la tension en $V$ aux bornes de la lampe (on étudie la puissance aux bornes de la lampe), on met un voltmètre en dérivation. Et si on veut mesurer l’intensité qui parcourt la lampe on met un ampèremètre en série dans le circuit. On a aussi un générateur caractérisé par une borne « + » et une borne « – ». Le sens conventionnel du courant est du « + » vers le « – » par l’extérieur du circuit.
Cas particulier : conducteurs ohmiques
On les connaît bien sous le nom de résistances dont le symbole est $R.$ Pour les conducteurs ohmiques on a la caractéristique suivante avec le tracé de $U$ en fonction de $I.$
Elle représente la tension en fonction de l’intensité du courant. Si on obtient une droite qui passe par l’origine, on a un conducteur ohmique de résistance $R.$ La résistance est le coefficient directeur ou pente de cette droite. Dans ce cas-là on a une relation entre $U$ et $I, U$ et $I$ sont proportionnels.
On a : $U = R \times I$, avec R en Ohms (Ω).
On a alors : $ P = U \times I = R \times I^2$.
Chaîne énergétique et rendement
Différentes formes de l’énergie
L’énergie existe sous différentes formes très nombreuses. Voici les formes les plus courantes que l’on rencontre mais il ne faut pas s’étonner si on retrouve d’autres formes dans les exercices :
– L’énergie potentielle (de pesanteur ou élastique)
– L’énergie cinétique (due au mouvement, la somme de l’énergie potentielle et de l’énergie cinétique est égale à l’énergie mécanique, lié au mouvement)
– L’énergie thermique (due à l’agitation des particules ou grains de matière)
– L’énergie lumineuse (due au rayonnement de la lumière visible)
– L’énergie électrique
– L’énergie chimique
– L’énergie nucléaire
Ressources énergétiques
On distingue deux types de ressources énergétiques et il faut savoir les distinguer et les expliquer : les ressources énergétiques de type renouvelables et celles de type non renouvelables. Pour distinguer ces deux types de ressources, il faut comparer le temps de renouvellement et le temps de consommation.
Pour des énergies de type renouvelables, le temps de renouvellement et le temps de consommation est quasiment le même. Par exemple : la consommation du vent quand on utilise l’énergie éolienne, est à peu près de même durée que le renouvellement du vent. Le vent se renouvelle rapidement.
Pour les énergies non renouvelables c’est l’inverse. Le temps de renouvellement est beaucoup plus long que le temps de consommation. Par exemple : le pétrole est une ressource énergétique non renouvelable, on le consomme très vite mais il se renouvèle très lentement puisque le pétrole prend beaucoup de temps pour se former sur Terre.
Chaînes énergétiques
La conservation de l’énergie totale écrite $E_{tot}$ est égale à une constante et par conséquent, comme rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme, il y a des conversions d’énergie. Une énergie se transforme en une autre forme d’énergie. On exprime cela à travers les chaînes énergétiques.
Quand on représente une chaîne énergétique, on met dans des cercles des dispositifs ou des éléments qui sont mis en cause dans cette chaîne énergétique. On représente par des flèches les différentes formes d’énergie qui sont mises en jeu.
Par exemple, la chaîne énergétique qui modélise l’éolienne. Le vent fait tourner l’alternateur et fournit une énergie mécanique qui est essentiellement de l’énergie cinétique. Cette énergie mécanique est fournie à l’alternateur. L’alternateur est un dispositif qui convertit l’énergie mécanique en énergie électrique. L’alternateur est présent dans la quasi-totalité des centrales électriques. Cette énergie électrique est fournie au réseau électrique et il y a toujours des pertes sous forme d’énergie thermique qui sont libérées dans l’environnement. Il ne faut surtout pas oublier les pertes d’énergie sous forme d’énergie thermique qui sont libérées dans l’environnement.
Calculer un rendement à partir d’une chaîne énergétique
Calculons le rendement d’un dispositif dans un cas général.
L’énergie qui arrive est l’énergie reçue, on peut aussi exprimer cette chaîne énergétique avec les puissances donc énergie reçue ou puissance reçue. A la fin l’énergie cédée ou puissance cédée, est utilisée par un autre dispositif. Et enfin, il ne faut surtout pas oublier l’énergie perdue et la puissance perdue. Attention à la taille des flèches, il faut la respecter : la taille de la première flèche doit être à peu près égale à la somme des tailles des deux autres flèches à la fin.
On définit le rendement noté $r,$ parfois noté $η,$ par définition c’est l’énergie cédée sur l’énergie reçue. On tient compte des pertes mais cela n’apparaît pas dans le calcul ici.
On a : $r = \dfrac{Ecédée}{Ereçue} = \dfrac{Pcédée}{Preçue}$.
Le rendement est inférieur ou égal à 1. C’est même souvent inférieur à 1 puisqu’il y a des pertes. C’est égal à 1 s’il n’y a pas de pertes. Il peut arriver que l’on demande de calculer le rendement en pourcentage. Il suffit de multiplier ce résultat par 100 pour l’obtenir. Au niveau des unités, l’énergie est exprimée en Joules (attention à avoir des Joules en haut et en bas pour la division) et la puissance s’exprime en Watts. Le rendement n’a pas d’unités.