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Chapitre 12 — Aspects énergétiques des phénomènes électriques

Intensité, puissance, énergie, effet Joule, générateur réel et rendement.

Progression du chapitre

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Introduction

Ce que tu vas apprendre. Comprendre le circuit électrique du point de vue énergétique : porteurs de charge, intensité, tension, puissance, énergie, effet Joule, modèle d'un générateur et rendement d'une conversion.

Pourquoi c'est important. Toute notre technologie fonctionne à l'électricité. Savoir calculer une puissance, une énergie consommée ou un rendement permet de comprendre une facture, choisir un appareil ou dimensionner une batterie.

Où on l'utilise. Autonomie d'un téléphone, facture d'électricité en kWh, chauffage électrique, pertes dans les câbles, panneaux solaires.

À la fin du chapitre, tu sauras :
  • Relier intensité et débit de charges : I = Q / Δt
  • Calculer une puissance P = U × I et une énergie E = P × Δt
  • Exprimer l'effet Joule P = R × I²
  • Modéliser un générateur réel (U = E − r I) et calculer un rendement
Charges et intensité→Puissance et énergie→Effet Joule→Générateur réel et rendement
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Chapitre complet

Porteurs de charge et intensité

Circuit et appareils de mesure
+−E, rRAVIsens conventionnel : du + vers le −ampèremètre en série · voltmètre en dérivation

Générateur réel (E, r), conducteur ohmique R, ampèremètre en série et voltmètre en dérivation.

Le courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge : électrons dans les métaux, ions dans les solutions. Par convention, le courant circule de la borne + vers la borne − à l'extérieur du générateur (les électrons vont dans l'autre sens).

L'intensité I est le débit de charge : la charge Q qui traverse une section du circuit par unité de temps, I = Q / Δt. Elle se mesure en ampères (A) avec un ampèremètre branché en série.

Exemple · Une charge de 360 C traverse un fil en 2 minutes : I = 360 / 120 = 3,0 A.

Tension

La tension U (en volts, V) entre deux points se mesure avec un voltmètre branché en dérivation. Pour un conducteur ohmique : U = R × I (loi d'Ohm), R en ohms (Ω).

Puissance et énergie électriques

Un dipôle traversé par un courant I sous une tension U reçoit (ou fournit) une puissance P = U × I, en watts (W). L'énergie transférée pendant Δt vaut E = P × Δt.

P = U × I (W = V × A)

E = P × Δt (J = W × s)

1 kWh = 1000 W × 3600 s = 3,6 × 10⁶ J

Exemple · Un radiateur de 2000 W fonctionne 3 h : E = 2,0 kW × 3 h = 6,0 kWh = 2,16 × 10⁷ J. À 0,25 €/kWh, cela coûte 1,50 €.

kW ≠ kWh

Le kW mesure une puissance (un débit d'énergie), le kWh mesure une énergie. Ne jamais les confondre.

L'effet Joule

Tout conducteur de résistance R traversé par un courant s'échauffe : l'énergie électrique est convertie en énergie thermique. La puissance dissipée vaut P = U × I = R × I².

  • Utile : radiateur, grille-pain, bouilloire, fusible
  • Nuisible : pertes dans les lignes électriques, échauffement des appareils
Exemple · Pour limiter les pertes par effet Joule (en I²), EDF transporte l'électricité sous très haute tension (400 000 V) : à puissance égale, l'intensité est beaucoup plus faible.

Générateur réel, bilan énergétique et rendement

Un générateur réel (pile, batterie) se modélise par une source idéale de tension E (force électromotrice) en série avec une résistance interne r : U = E − r × I. Une partie de l'énergie est perdue par effet Joule à l'intérieur.

Puissance totale produite : E × I

= puissance fournie au circuit U × I

+ pertes internes r × I²

Le rendement d'un convertisseur est η = énergie (ou puissance) utile / énergie (ou puissance) reçue ; il est toujours compris entre 0 et 1.

Conservation de l'énergie

L'énergie ne se crée pas et ne disparaît pas : elle se convertit. Les « pertes » sont de l'énergie convertie sous une forme non utile, souvent thermique.

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Définitions importantes

Intensité I
Débit de charge électrique, I = Q/Δt, en ampères (A).
Charge Q
Quantité d'électricité en coulombs (C).
Tension U
Différence de potentiel entre deux points, en volts (V).
Puissance électrique
P = U × I, en watts (W) : énergie transférée par seconde.
Effet Joule
Conversion d'énergie électrique en énergie thermique dans un conducteur résistif.
Force électromotrice E
Tension aux bornes d'un générateur ne débitant pas de courant, en V.
Résistance interne r
Résistance modélisant les pertes à l'intérieur d'un générateur, en Ω.
Rendement η
Rapport énergie utile / énergie reçue, sans unité, entre 0 et 1.
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Formules à connaître

Intensité

I = QΔt

IintensitéA
QchargeC
Δtdurées

Quand l'utiliser : Relier courant et quantité de charge.

Transformations utiles :
Q = I × Δt

Puissance électrique

P = U × I

PpuissanceW
UtensionV
IintensitéA

Quand l'utiliser : Pour tout dipôle en courant continu.

Transformations utiles :
I = PUP = R × I² (conducteur ohmique)

Exemple : Lampe 12 V, 0,50 A : P = 6,0 W.

Énergie électrique

E = P × Δt

EénergieJ (ou kWh)
PpuissanceW (ou kW)
Δtdurées (ou h)

Quand l'utiliser : Énergie consommée ou fournie.

Conditions : Unités cohérentes : W·s = J, kW·h = kWh.

Générateur réel

U = E − r × I

Utension aux bornesV
Eforce électromotriceV
rrésistance interneΩ

Quand l'utiliser : Pile ou batterie qui débite un courant.

Rendement

η = EutileEreçue

ηrendementsans unité
Eutile, Ereçueénergies (ou puissances)J (ou W)

Quand l'utiliser : Évaluer l'efficacité d'un convertisseur.

Exemple : Moteur recevant 500 W et fournissant 400 W mécaniques : η = 0,80 = 80 %.

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Méthodes à connaître

Calculer une énergie consommée et son coût

  1. Relever la puissance P de l'appareil (en kW)
  2. Exprimer la durée en heures
  3. E = P × Δt en kWh
  4. Multiplier par le prix du kWh
  5. Convertir en joules si demandé : × 3,6 × 10⁶

Faire le bilan de puissance d'un générateur

  1. Puissance totale : E × I
  2. Puissance fournie : U × I
  3. Pertes Joule internes : r × I²
  4. Vérifier : E I = U I + r I²
  5. Rendement : η = U I / (E I) = U / E
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Exemple guidé

Une batterie de f.é.m. E = 12 V et de résistance interne r = 0,20 Ω alimente un moteur ; l'intensité vaut I = 5,0 A. Calculer la tension aux bornes de la batterie, les puissances et le rendement de la batterie.

Données

  • E = 12 V
  • r = 0,20 Ω
  • I = 5,0 A

Ce qu'on cherche

U, puissance fournie, pertes, rendement.

Raisonnement

  1. Modèle U = E − rI
  2. Puissance fournie U×I, pertes r×I²
  3. η = puissance fournie / puissance totale

Formules utilisées

U = E − r × IP = U × IPj = r × I²η = UE

Calculs

U = 12 − 0,20 × 5,0 = 11 V

Pfournie = 11 × 5,0 = 55 W ; Ptotale = 12 × 5,0 = 60 W

Pj = 0,20 × 5,0² = 5,0 W (55 + 5 = 60 ✓)

η = 55 / 60 ≈ 0,92

Résultat

U = 11 V ; 55 W fournis, 5,0 W perdus ; η ≈ 92 %

Conclusion

La batterie convertit 92 % de son énergie en énergie électrique utile, le reste chauffe la batterie.

La méthode à retenir

Toujours vérifier le bilan : puissance totale = utile + pertes.
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⚠️ Les erreurs à éviter

✗ Confondre kW et kWh

Pourquoi : Puissance et énergie sont différentes.

✓ kWh = kW × h.

✗ Laisser la durée en minutes

Pourquoi : E = PΔt exige s (J) ou h (kWh).

✓ Convertir avant de calculer.

✗ Oublier le carré dans R × I²

Pourquoi : Erreur d'un facteur I.

✓ Doubler I quadruple les pertes.

✗ Trouver un rendement supérieur à 1

Pourquoi : Impossible : conservation de l'énergie.

✓ Vérifier qu'on divise bien l'utile par le reçu.

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À retenir

Notions essentielles

  • • Courant = débit de charges
  • • Conversion et conservation de l'énergie
  • • Effet Joule
  • • Rendement < 1

Formules

  • • I = Q/Δt
  • • P = U I
  • • E = P Δt
  • • P = R I²
  • • U = E − r I
  • • η = Eu/Er

Unités

  • • A, C, V, Ω, W, J
  • • 1 kWh = 3,6 × 10⁶ J

Méthodes

  • • Calcul d'énergie et de coût
  • • Bilan de puissance d'un générateur
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Quiz de fin de chapitre

Question 1 / 5

Le kWh est une unité de…

Question 2 / 5

U = 6,0 V et I = 0,50 A : P = ?

Question 3 / 5

Si l'intensité double, les pertes par effet Joule doublent.

Question 4 / 5

Quelles affirmations sur un générateur réel sont vraies ?

Plusieurs réponses sont possibles.

Question 5 / 5

Un moteur reçoit 200 J et fournit 150 J de travail. η = ?

Réponds à toutes les questions pour valider.