REVIZ.fr – Bilan énergétique électrique

Niveau : première
Matière : physique (conservation de l’énergie)

Tous les appareils électriques que nous utilisons (lampes, moteurs électriques…) sont des récepteurs électriques. Il reçoivent de l’énergie transférée par travail électrique WE et la transforment en d’autres formes d’énergies (ils peuvent aussi stocker l’énergie électrique sous forme chimique). Ce sont des convertisseurs.

Comment utilise-t-il l’énergie qu’il reçoit ?

Très souvent, le travail rayonnant WR est négligeable par rapport aux autres transferts d’énergie.
Il existe 2 types de récepteurs :

  • les récepteurs thermiques
    L’énergie qu’ils reçoivent est convertie puis intégralement transférée par Q ou WR à l’environnement (ex : chauffage…).
  • les récepteurs électromoteurs
    L’énergie reçue est convertie en partie en travail moteur WM (ex : dans un moteur) ou en énergie chimique (ex : lors d’une catalyse). On appelle cela le travail utile WU. Le reste est transféré par Q ou WR à l’environnement.

Récepteur en courant continu

Puissance

La puissance électrique nominale PE est la puissance sous laquelle le récepteur fonctionne normalement sous la tension électrique indiquée.

Elle vaut :

PE = U x I

avec PE en W, U en V et I en A

P ne varie pas au cours du temps.

Energie

L’énergie W reçue est égale à :

W = P . t = U . I . t = U . q

avec t en secondes

Elle est exprimée en Joules J ou en watt-heure W.h (1 W.h = 3600J).

Le conducteur, parcouru par un courant, se réchauffe. Sa température augmente pendant le régime transitoire puis elle se maintient à une valeur constante durant le régime permanent.

La conversion par un conducteur ohmique de WE en Q et WR s’appelle l’effet Joule.

WR est négligeable devant Q. WE = Q = RI2 t

Résistance portée à incandescence

Un conducteur ohmique, traversé par un courant et porté à incandescence, émet de la lumière. Sa température est très élevée ; c’est notamment le cas pour le filament d’une lampe.

wR n’est plus négligeable : il représente 5% du travail WEel reçu.

L’effet Joule

L’effet Joule peut être bénéfique et souhaité (chauffage, éclairage…) ou bien provoquer des pertes d’energie (dans un moteur électrique, par exemple) et dégrader les circuits électriques à cause de la hausse de température qu’il provoque.

Voici le symbole électrique d’un électrolyseur :

On a la relation :

UAB = E’ + r’I

Bilan énergétique

La catalyseur reçoit WE et le convertit au cours de réactions chimiques.
La puissance reçue est :

PE reçue = UAB . I = E’I + r’I2

La travail (puissance x temps) est :

WE elec reçue = U . I . t = E’I t + r’I2t

Le terme r’I2t correspond à l’énergie perdue par effet Joule (chaleur).
Le terme E’I t est la portion d’énergie transformée en énergie chimique : c’est l’énergie utile WU.

On a les relations :

PE = PU + PJoule            WE = WU + Q

Rendement

Le rendement d’un catalyseur est :

= = = = 1 –

Un moteur à courant continu fonctionne sous une tension constante U.
Le travail électrique reçu est converti en travail mécanique :

PE = U.I = PJ + PEm

PEm = E’I est fournie par l’interaction électromagnétique aimant/courant dans le moteur.

Bilan énergétique

La puissance PU n’est pas égale à PEm car il y a des pertes dûes à des couples résistants dans le moteur.

PE = PEm + PJ = PU + Pp + PJ

Rendement

Le rendement d’un moteur est égal à :

= =

En France, la fréquence du courant est de 50 Hz. Sa tension efficace est 220 V (c’est celle que l’on mesure si on place un voltmètre aux bornes d’une prise).

L’amplitude est donc

UM = 220 x 310 V

Cas d’un conducteur ohmique

Une tension sinusoïdale d’amplitude UM produit, pendant la même durée, les mêmes effets sur un conducteur ohmique qu’une tension continue de valeur , appelée tension efficace UEFF.

De même, IM = IEFF.

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