Tension, intensité, puissance : cours de CAP Électricien

Un électricien parle sans cesse de volts, d'ampères et de watts. Sur une plaque signalétique, sur un disjoncteur, sur un câble, ces trois grandeurs reviennent partout. Elles ne sont pas indépendantes : elles forment un trio, et si tu en connais deux, tu peux presque toujours trouver la troisième.

Dans ce cours, tu vas apprendre à les reconnaître, à les nommer avec leur unité, puis à les relier par un calcul simple. Tu verras ensuite pourquoi un câble chauffe, et pourquoi le distributeur d'électricité surveille autre chose que la seule puissance consommée.

Pour t'aider à imaginer ce qui se passe dans un fil, on utilisera une image : un circuit d'eau. Cette image est un outil de compréhension, pas une loi de physique. Elle sert à retenir qui fait quoi.

En physique, une puissance se construit toujours de la même façon : on multiplie une grandeur qui « pousse » par une grandeur qui « circule ». La première est appelée variable d'effort, la seconde variable de flux.³ En électricité, la tension joue le rôle de l'effort et l'intensité du courant celui du flux.³ C'est la clé de tout le chapitre : la puissance électrique est un produit de la tension par l'intensité.

Imagine un réservoir d'eau placé en hauteur, relié à un robinet par un tuyau. Plus le réservoir est haut, plus l'eau est poussée fort. La tension joue ce rôle de poussée. Elle existe entre deux points : on parle toujours de la tension aux bornes de quelque chose. Une tension ne « traverse » pas un appareil, c'est le courant qui le traverse.

Sur le réseau, la tension n'est pas la même partout. Des transformateurs de puissance modifient la tension pour transmettre l'énergie électrique d'une partie du réseau à une autre.¹ Les petites installations de production, comme des panneaux photovoltaïques en toiture, sont raccordées au réseau en basse tension.¹ Tu retrouveras ces notions quand tu étudieras les installations et les appareillages.

Reprenons l'image du circuit d'eau. L'intensité correspond au débit : la quantité d'eau qui passe dans le tuyau à chaque instant. Un gros débit, c'est une forte intensité. Un robinet à peine ouvert, c'est une faible intensité.

Dans l'analogie, le tuyau représente le conducteur. Plus le débit est grand, plus le tuyau doit être gros pour bien le supporter. C'est pour cela qu'on choisit la section d'un câble en fonction de l'intensité qui doit le parcourir.

Prends une ampoule : elle transforme de l'énergie électrique en lumière et en chaleur. Sa puissance s'obtient en multipliant la tension appliquée à ses bornes par l'intensité qui la parcourt.³ Plus cette puissance est grande, plus l'ampoule transforme d'énergie électrique à chaque seconde.

À partir de cette seule formule, tu retrouves deux autres relations en isolant la grandeur cherchée, comme avec n'importe quel produit :

$I = \frac{P}{U} \qquad\text{et}\qquad U = \frac{P}{I}$

Un conducteur n'est jamais parfait. Quand le courant le traverse, une partie de la puissance se transforme en chaleur dans le conducteur lui-même. On appelle cela l'effet Joule. Si l'on note $r$ la résistance du conducteur, la puissance dissipée par effet Joule vaut $r I^2$.³

Regarde bien le carré sur l'intensité. Si l'intensité double, les pertes ne doublent pas : elles sont multipliées par $2^2 = 4$. Si elle triple, elles sont multipliées par $9$. Une intensité modérée est donc la meilleure alliée du câble.

Cette idée explique un choix de l'industrie électrique. Pour transporter une puissance donnée, la relation $P = U \times I$ montre qu'on peut augmenter la tension et diminuer ainsi l'intensité. Moins d'intensité veut dire beaucoup moins de pertes dans les lignes. La formule des pertes de ligne fait d'ailleurs intervenir la longueur de la ligne, la puissance transportée, la section du fil et la tension entre phases.² C'est aussi la raison d'être des transformateurs, qui changent la tension d'une portion de réseau à une autre.¹

La formule $P = U \times I$ est exacte pour un appareil purement résistif.³ Mais beaucoup d'appareils ne sont pas des résistances pures : moteurs, transformateurs, condensateurs. Pour eux, on distingue deux puissances.

La puissance active $P$ est celle qui est réellement consommée et facturée à un petit utilisateur. Elle s'exprime en watts. La puissance apparente $S$ est le produit des valeurs efficaces de la tension et du courant ; elle s'exprime en volt-ampères (VA), en kVA ou en MVA.¹²

Un facteur de puissance égal à 1 caractérise un récepteur purement résistif : le courant a la même allure que la tension, sans aucun déphasage entre eux.² C'est la situation des calculs que tu as faits plus haut : puissance active et puissance apparente sont alors égales, et $P = U \times I$.

Quand le facteur de puissance baisse, le même courant transporte moins de puissance utile. À l'extrême, un condensateur parfait traversé par $1$ A sous $230$ V a une puissance apparente de $230$ VA, mais un facteur de puissance nul, donc une puissance active nulle.² Le courant circule pourtant dans la ligne, avec ses pertes par effet Joule.²

Pour cette raison, les gros consommateurs raccordés en haute tension ne sont pas facturés uniquement sur leur puissance active. En France, cette facturation est réglementée par le tarif d'utilisation du réseau public d'électricité, appelé TURPE.² Garder un facteur de puissance élevé réduit les pertes dans les lignes.² Des équipements d'électronique de puissance, comme le compensateur statique d'énergie réactive, servent à améliorer ce facteur et à réguler la tension.²