Énergie électrique

Une pile branchée à une lampe permet un transfert d’énergie, mais ni la charge ni le courant ne sont des réserves d’énergie que l’on viderait dans le fil. Le courant correspond à un déplacement organisé de porteurs de charge. Dans un métal, les porteurs mobiles sont des électrons ; dans une solution, des ions peuvent participer au courant. Le sens conventionnel du courant correspond au déplacement de charges positives.

Pour un courant continu de valeur constante, l’intensité vérifie I = Q/Δt, où Q est la valeur de la charge traversant une section pendant la durée Δt. Une intensité de 1 A correspond à un débit de 1 C par seconde. Le mouvement des électrons dans un métal est opposé au sens conventionnel du courant. Un composant ne consomme pas les charges : il peut recevoir et convertir de l’énergie.

La tension U décrit une différence de potentiel entre deux points. L’intensité I décrit un débit de charges dans une branche. Une tension se mesure avec un voltmètre branché en dérivation ; une intensité avec un ampèremètre inséré en série. Les bornes, le calibre et le type de mesure doivent être adaptés. On réalise uniquement les montages basse tension prévus par le protocole, alimentation coupée lors des changements de branchement.

Une source idéale de tension maintient sa tension E indépendamment de l’intensité dans le cadre du modèle. Une source réelle peut être modélisée par l’association en série d’une source idéale de tension E et d’une résistance interne r. Lorsqu’elle fournit un courant I dans le sens générateur, sa tension aux bornes vérifie U = E − rI. Ici E est une tension en volts et non une énergie ; r est en ohms.

À circuit ouvert, le courant est nul et U = E dans ce modèle. Lorsque la source débite, une partie de sa tension est perdue dans la résistance interne : rI. Pour identifier les paramètres, on mesure plusieurs couples (I, U) en faisant varier une charge extérieure adaptée. Le graphe U en fonction de I est une droite décroissante : l’ordonnée à l’origine donne E et l’opposé du coefficient directeur donne r.

Cette représentation est une approximation valable dans une plage de fonctionnement. Une vraie pile évolue avec son état et sa température ; la droite ne décrit pas toutes les situations. Un court-circuit provoquerait un courant important et un échauffement dangereux. On ne le réalise pas pour mesurer une intensité maximale. Les mesures doivent respecter les limites des appareils et de la source.

Pour un récepteur en convention récepteur, lorsque U et I sont positifs et constants, la puissance électrique reçue vaut P = UI. En courant continu stable pendant Δt, l’énergie reçue vaut E_élec = UI Δt. Le watt équivaut à un joule par seconde. L’énergie en kilowattheures se calcule aussi en multipliant une puissance en kilowatts par une durée en heures ; 1 kWh = 3,6 × 10⁶ J.

Un dipôle ohmique vérifie U = RI et convertit sa puissance électrique en énergie thermique par effet Joule : P_J = RI² = U²/R. La résistance est en ohms. Doubler l’intensité dans la même résistance multiplie la puissance thermique par quatre. Dans un conducteur de résistance non négligeable, les pertes augmentent donc fortement avec le courant. Un échauffement peut être utile dans un chauffage et indésirable dans une alimentation.

Le rendement η d’un convertisseur est le rapport de l’énergie utile à l’énergie reçue, ou des puissances correspondantes si elles sont mesurées sur le même fonctionnement. Le caractère utile dépend de l’usage. Un moteur reçoit une puissance électrique et délivre notamment une puissance mécanique ; le reste peut chauffer le moteur et l’environnement. Un rendement est sans unité, entre 0 et 1 pour le bilan considéré, ou entre 0 et 100 %.

Dans le modèle de la source réelle, la puissance issue de la conversion vaut EI, celle fournie au circuit extérieur UI et celle dissipée à l’intérieur rI². Le bilan EI = UI + rI² découle de U = E − rI. Pour cette source en fonctionnement générateur, avec EI non nul, le rendement du transfert vers l’extérieur est UI/(EI) = U/E. Cette dernière formule ne remplace pas la définition générale pour tous les convertisseurs.

Pour comparer des appareils, commence par la grandeur pertinente. Une petite lampe peut mobiliser une puissance de l’ordre de quelques watts ; un chauffage domestique, de l’ordre du kilowatt. La puissance ne suffit pas à prévoir l’énergie consommée sans la durée d’usage. Deux appareils de puissances différentes peuvent consommer la même énergie si les durées compensent cette différence.

Dans une expérience, mesure U et I dans les conditions de fonctionnement, puis la durée. N’utilise pas automatiquement la tension inscrite sur une source comme la tension réellement disponible au récepteur. Pour une caractéristique, répète les mesures dans la plage autorisée et examine l’alignement des points. Des écarts à la droite peuvent signaler les limites du modèle, un échauffement ou un problème de mesure.

Erreurs fréquentes : confondre W et Wh, utiliser une durée en minutes sans conversion, appliquer U = RI à tous les dipôles, ou attribuer une consommation de charges à un récepteur. Vérifier les unités et préciser le modèle évite ces confusions.

S’entraîner : poursuis avec les activités de circuits et d’énergie dans l’espace Exercices du site.