Physique · 2ème ScThème 1 : Circuits électriques · Chapitre 1

Puissance et énergie électriques

Objectifs

À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• lire les valeurs nominales inscrites sur un appareil électrique ;
• calculer la puissance reçue par un récepteur en courant continu : P = U.I ;
• brancher un wattmètre pour mesurer une puissance ;
• calculer l'énergie électrique consommée : E = P.Δt, en joule et en kilowattheure, et lire une facture d'électricité ;
• expliquer l'effet Joule, ses intérêts et ses inconvénients, et distinguer un récepteur passif d'un récepteur actif.
Prérequis : tension et intensité, voltmètre et ampèremètre (1ère année).

Situation de départ

Le matin, un sèche-cheveux et un chargeur de téléphone sont branchés sur la même prise de 220 V. Sur le premier, on lit 220 V - 1800 W ; sur le second, 5 V - 10 W. Au bout du mois, la facture d'électricité compte des kilowattheures.
Que signifient ces nombres ? Quel appareil fait le plus grimper la facture ? Et pourquoi tous ces appareils chauffent-ils un peu ?

I. La puissance électrique

1. Les indications portées par un appareil

Le fabricant inscrit sur chaque appareil, sur une plaque signalétique, sur le culot d'une lampe ou dans la notice, les conditions de son fonctionnement normal :
• la tension nominale U_N, en volt (V) : la tension sous laquelle l'appareil doit être utilisé ;
• la puissance nominale P_N, en watt (W) : la puissance qu'il reçoit lorsqu'il est alimenté sous sa tension nominale.
On trouve parfois aussi une intensité (A), une fréquence (Hz) ou une puissance en voltampère (VA).

Quelques indications

Appareil	Tension nominale	Puissance nominale
lampe de poche	3,5 V	1 W
lampe de bureau	220 V	60 W
fer à repasser	220 V	1200 W
sèche-cheveux	220 V	1800 W
chargeur de téléphone	5 V	10 W

2. Puissance reçue par un récepteur : P = U.I

On alimente une lampe marquée 6 V - 5 W avec un générateur réglable, un voltmètre en dérivation et un ampèremètre en série. On note l'éclat de la lampe et l'on calcule le produit U.I pour trois tensions.

Animation

Mesures

U (V)	I (A)	U.I (W)	Éclat
3	0,55	1,6	faible : sous-tension
6	0,83	5,0	normal
8	0,99	7,9	très vif : surtension

Le produit U.I n'est égal à la puissance nominale (5 W) que lorsque la lampe est alimentée sous sa tension nominale (6 V). En sous-tension, l'appareil reçoit moins que sa puissance nominale (lampe pâle, moteur lent) ; en surtension, il en reçoit plus et sa durée de vie diminue : il peut même être détruit.

À retenir

En courant continu, la puissance électrique reçue par un récepteur soumis à la tension U et traversé par l'intensité I est :

P = U.I

P en watt (W), U en volt (V), I en ampère (A).
Multiples : 1 kW = 10³ W ; 1 MW = 10⁶ W ; sous-multiple : 1 mW = 10^-3 W.

Exemple

Une bouilloire porte les indications 220 V - 2000 W. En fonctionnement normal, elle est traversée par I = ^P_U = ²⁰⁰⁰₂₂₀ = 9,1 A.

Avec le courant du secteur

Avec le courant alternatif du secteur, P = U.I reste exacte pour les appareils de chauffage et les lampes à incandescence ; pour un moteur ou un transformateur, elle n'est qu'approchée : c'est pourquoi on exprime parfois le produit U.I en voltampère (VA).

3. Mesurer une puissance : le wattmètre

Le wattmètre mesure à la fois l'intensité et la tension, et affiche directement leur produit. Il possède deux circuits :
• le circuit courant, branché en série avec le récepteur, comme un ampèremètre ;
• le circuit tension, branché en dérivation aux bornes du récepteur, comme un voltmètre.

Fig. 1 - Le wattmètre W : circuit courant en série avec la lampe, circuit tension entre ses bornes.

Attention

Avec un wattmètre, on choisit séparément un calibre d'intensité et un calibre de tension adaptés : ne surveiller que l'aiguille de puissance peut détruire l'appareil.

II. L'énergie électrique

1. Le compteur d'énergie

À l'entrée de chaque logement, la STEG installe un compteur. Dans un compteur à disque, le disque tourne d'autant plus vite que les appareils en marche sont puissants. Chaque tour correspond à une même énergie, la constante du compteur c (par exemple 2 Wh par tour). Pour n tours : E = n.c.