Puissance et énergie électriques : cours de CAP

Tu branches un chargeur, tu allumes une lampe, tu fais chauffer une bouilloire : à chaque fois, de l'énergie électrique circule dans un circuit et se transforme en autre chose. Dans ton futur métier, tu devras souvent répondre à des questions très concrètes : quel appareil consomme le plus ? Combien va coûter le fonctionnement d'une machine pendant une semaine ? Quel câble ou quelle protection choisir pour ne pas la surcharger ?

Pour répondre, deux grandeurs reviennent tout le temps : la puissance et l'énergie. Beaucoup d'élèves les mélangent, parce que dans la vie courante on dit « ça consomme beaucoup de courant » sans préciser de quoi on parle. Ce cours sépare proprement les deux, te donne les unités, la relation qui les lie et une méthode de calcul que tu pourras refaire les yeux fermés.

Tu vas t'appuyer sur ce que tu connais déjà : le circuit électrique et ses dipôles, la tension $U$ (en volts), l'intensité $I$ (en ampères) et la loi d'Ohm. Après ce chapitre, tu pourras aborder le courant continu et le courant alternatif.

À la fin, tu sauras :

• distinguer puissance et énergie, et donner leurs unités ;
• utiliser la relation $E = P \times t$ en choisissant les bonnes unités ;
• calculer une puissance à partir de la tension et de l'intensité ;
• calculer une consommation en kWh et son coût ;
• expliquer en quoi l'énergie électrique est transformée dans un appareil.

Cette nuance a une conséquence pratique : l'électricité ne produit rien toute seule. Elle sert de « camion de livraison ». À un bout, un système fournit de l'énergie ; à l'autre bout, un appareil la reçoit et la transforme. L'expression « énergie électrique » reste très pratique pour dire que le courant demande de l'énergie et en transporte ⁶, et c'est celle que tu utiliseras dans les exercices.

Qui fournit l'énergie ? Les alternateurs, présents dans presque toutes les installations de production d'électricité, et les systèmes chimiques comme les piles ⁶. Une pile transforme de l'énergie chimique en énergie électrique ³. Les panneaux solaires, eux, utilisent l'énergie envoyée par le Soleil pour produire de l'électricité ¹.

Qui reçoit l'énergie ? Les récepteurs :

• une résistance (grille-pain, radiateur, plaque chauffante) la transforme en énergie thermique, donc en chaleur ⁶ ;
• un moteur la transfère sous forme de travail mécanique ⁶ ;
• une lampe la transforme en rayonnement lumineux et en chaleur ⁶.

On parle de conversion d'énergie : l'énergie change de forme en passant dans l'appareil ². On peut résumer une conversion par une chaîne :

$\text{source} \longrightarrow \text{énergie électrique} \longrightarrow \text{récepteur} \longrightarrow \text{énergie utile} + \text{pertes}$

Par exemple, pour une lampe : pile (énergie chimique) → énergie électrique → lampe → lumière et chaleur. La chaleur d'une lampe n'est pas le but recherché : c'est une perte, qu'on retrouve dans toutes les conversions réelles.

Imagine un robinet. L'eau récupérée dans le seau représente l'énergie ; le débit du robinet représente la puissance. Avec un fort débit, le seau se remplit vite. Avec un petit débit, il finit par se remplir autant, à condition de laisser couler plus longtemps.

La puissance est donc une caractéristique de l'appareil : elle indique s'il convertit l'énergie rapidement ou lentement ⁴. Prends deux moteurs électriques, l'un de 20 kW, l'autre de 10 kW : le premier convertit la même énergie en deux fois moins de temps ⁴. Mais cela ne signifie pas qu'il consomme le double en tout : la durée de fonctionnement compte aussi.

Deux jeux d'unités sont possibles. Choisis-en un et ne les mélange jamais :

Le premier jeu est celui du Système international. Le second est le jeu pratique pour la vie courante : l'énergie électrique consommée par une installation se compte en kilowattheures, unité commode pour les grosses quantités ⁶.

Le joule (J) est l'unité du Système international pour l'énergie. Il est très petit : une lampe de 60 W n'en consomme que 60 chaque seconde, mais elle en consomme déjà 216 000 en une heure. C'est pour cela qu'on a inventé une unité adaptée aux grosses quantités, le kilowattheure ⁶.

Dans un circuit, tu connais la tension $U$ aux bornes d'un appareil et l'intensité $I$ qui le traverse. Ces deux mesures donnent directement sa puissance.

Quand un courant traverse une résistance, de la chaleur se dégage : c'est l'effet Joule. La loi de Joule décrit ce dégagement d'énergie sous forme de chaleur dans un résistor parcouru par un courant ⁶. Cet effet est recherché dans un radiateur ou une bouilloire. Il est au contraire une perte dans un fil électrique ou un moteur, qui chauffent sans que ce soit utile.

Pourquoi tout cela compte pour la consommation. Pour la plupart des appareils, la puissance indiquée sur la plaque est la puissance électrique qu'ils reçoivent. Si une part sert à autre chose que le but visé, l'appareil a un moins bon rendement : on compare alors l'énergie utile à l'énergie reçue. Cette comparaison sert à évaluer un dispositif ¹. En CAP, retiens surtout que deux appareils qui rendent le même service ne consomment pas forcément la même énergie, et que le choix d'un appareil économe baisse la facture.

Le calcul d'une consommation d'énergie électrique dans une situation de la vie courante fait partie des attendus du programme ². La démarche est toujours la même : on calcule l'énergie en kWh, puis on la multiplie par le prix du kWh.

L'énergie électrique ne peut pas être gardée en grande quantité telle quelle : seules de petites quantités peuvent être emmagasinées, dans des condensateurs par exemple ⁶. Pour stocker davantage, il faut la convertir. Dans un accumulateur, l'énergie est stockée sous forme chimique ⁶. Pendant l'utilisation, l'énergie chimique est transformée en énergie électrique ³. Quand les deux électrodes atteignent le même potentiel, l'accumulateur ne délivre plus de courant ³.

À grande échelle, on stocke l'énergie quand la production est forte ou la consommation faible, pour la restituer plus tard ³. D'autres solutions existent : une STEP ou un barrage hydroélectrique stockent sous forme d'énergie potentielle, un volant d'inertie sous forme d'énergie mécanique ⁶.

La puissance et l'énergie se retrouvent ici : la capacité d'un stockage se compte en énergie (kWh), et la vitesse à laquelle il peut fournir cette énergie se compte en puissance (kW). Une batterie de 2 kWh qui alimente un appareil de 500 W peut en théorie le faire fonctionner $\dfrac{2\,000}{500} = 4\ \text{h}$.