Réussite Haïti - Plateforme de préparation des examens officiels haïtiens

Réussite Haïti – Physique NS4

Fiche 6 – Transformations d’énergie dans les circuits électriques

Générateur – récepteur – effet Joule – puissance – rendement énergétique.

Objectif : comprendre comment l’énergie est fournie, transportée et transformée dans un circuit électrique, et savoir calculer puissance, énergie et rendement.

1. Bilan énergétique dans un circuit simple

Dans un circuit électrique, on distingue :

• le générateur : il fournit de l’énergie électrique au circuit ;
• les récepteurs : ils transforment l’énergie électrique en d’autres formes (chaleur, lumière, énergie mécanique, etc.) ;
• les conducteurs : une partie de l’énergie est perdue par effet Joule.

Le bilan énergétique global respecte la conservation de l’énergie :

Énergie fournie = Énergie utile + Pertes

2. Puissance et énergie électriques

a) Puissance instantanée

La puissance instantanée fournie à un dipôle est :

p(t) = u(t) · i(t)

• p(t) > 0 : le dipôle reçoit de l’énergie.
• p(t) < 0 : le dipôle restitue de l’énergie au circuit.

b) Puissance en régime continu

Si u et i sont constants :

P = U · I

Pour une résistance R :

P = R I² = U² / R

c) Énergie électrique

Sur une durée Δt, l’énergie échangée est :

W = P · Δt

• W en joule (J)
• P en watt (W)
• Δt en seconde (s)

3. Générateurs et récepteurs électriques

a) Générateur réel

Un générateur réel est modélisé par une f.é.m. E et une résistance interne r.

U = E − rI

Puissance fournie par le générateur :

P_gén = E · I

Pertes par effet Joule dans le générateur :

P_pertes,g = rI²

Puissance délivrée au circuit externe :

P_utile = U · I

b) Récepteur (moteur, lampe, appareil)

Un récepteur transforme l’énergie électrique en une autre forme :

• Lampe : lumière + chaleur.
• Moteur : énergie mécanique + chaleur.
• Résistance chauffante : presque uniquement chaleur.

P_reçue = U · I

4. Effet Joule et pertes énergétiques

Lorsqu’un courant traverse un conducteur ohmique (résistance), une partie de l’énergie électrique est transformée en chaleur : c’est l’effet Joule.

P_J = R I² = U² / R

Sur une durée Δt, l’énergie dissipée par effet Joule est :

W_J = P_J · Δt = R I² Δt

L’effet Joule peut être recherché (chauffage, fer à repasser, cuisinière) ou au contraire indésirable (échauffement des lignes électriques, pertes dans les appareils).

5. Rendement énergétique d’un récepteur

Le rendement η d’un appareil mesure la part de l’énergie reçue qui est convertie en énergie utile.

η = P_utile / P_reçue = W_utile / W_reçue

• 0 < η ≤ 1 ; souvent exprimé en pourcentage : η × 100 %
• Plus η est proche de 1, plus l’appareil est « économique ».

Exemple : si une lampe reçoit 60 W et fournit 12 W sous forme de lumière utile, son rendement lumineux est :

η = 12 / 60 = 0,20 soit 20 %

6. Cas du régime sinusoïdal

Pour un dipôle alimenté par une tension sinusoïdale de valeur efficace U_e et parcouru par un courant de valeur efficace I_e :

P = U_e · I_e · cosφ

• φ : déphasage entre la tension et le courant.
• cosφ : facteur de puissance, compris entre 0 et 1.
• Si le dipôle est purement résistif : cosφ = 1 et P = U_e I_e.

7. À retenir absolument

• p(t) = u(t) · i(t).
• En continu : P = U I, W = P Δt.
• Effet Joule : P_J = R I², W_J = R I² Δt.
• Générateur réel : P_gén = E I, pertes internes rI², puissance utile U I.
• Rendement : η = P_utile / P_reçue.
• En sinusoïdal : P = U_e I_e cosφ.
• Toute l’énergie fournie est soit utilisée, soit perdue sous forme de chaleur.