Énergie et puissance électriques : cours de Première

Chaque jour, tu utilises des appareils électriques : un téléphone qu'on recharge, une bouilloire, un radiateur, une lampe. Sur chacun, tu trouves une indication en watts. Sur la facture d'électricité, en revanche, on te parle de kilowattheures. Ces deux grandeurs ne désignent pas la même chose, et les confondre est l'erreur la plus courante du chapitre.

Tu dois savoir utiliser la relation entre puissance, énergie et durée, et mener un calcul de consommation d'énergie électrique dans une situation de la vie courante ². Il demande aussi de savoir que l'énergie convertie par un appareil dépend de sa puissance et de sa durée de fonctionnement ². C'est exactement le fil de ce cours.

Le cours suit une progression simple. Nous partons de l'idée d'énergie et de conversion, puis nous définissons la puissance. Ensuite nous établissons la relation $E = P \times \Delta t$, nous passons aux unités, puis nous relions cette relation à la tension et à l'intensité. Nous terminons par le bilan de puissance, le rendement et une méthode de calcul de consommation.

L'énergie est un concept qui relie plusieurs idées : conversion d'une forme d'énergie en une autre, transfert d'énergie d'un système à un autre, dissipation d'énergie ². Un objet technique est presque toujours un convertisseur : il reçoit de l'énergie sous une forme et en restitue sous une autre.

Une puissance élevée ne signifie donc pas une grande quantité d'énergie : elle signifie que l'énergie est échangée vite. Une bouilloire de 2 000 W échange 2 000 J chaque seconde. Un petit chargeur de 5 W n'en échange que 5 par seconde. Mais si le chargeur fonctionne 24 heures d'affilée et la bouilloire seulement trois minutes, c'est le chargeur qui a échangé le plus d'énergie : 5 × 86 400 = 432 000 J, contre 2 000 × 180 = 360 000 J pour la bouilloire.

Cette relation est une simple réécriture de la définition. Comme $P = \Delta E / \Delta t$, on isole $\Delta E$ en multipliant les deux membres par $\Delta t$. On en tire deux autres formes utiles :

$P = \frac{E}{\Delta t} \qquad\text{et}\qquad \Delta t = \frac{E}{P}$

Selon l'inconnue, tu choisis la forme adaptée. Avec la relation, on peut aussi comparer deux appareils : à énergie égale, celui dont la puissance est la plus grande met moins de temps.

Le joule est l'unité du Système international, mais elle est très petite à l'échelle de la vie quotidienne. Une lampe de 10 W allumée une heure échange déjà 36 000 J. Pour la consommation domestique, on utilise une autre unité : si la puissance est exprimée en watts et la durée en heures, l'énergie s'exprime en watts-heures (W·h) ⁵.

Entre deux points A et B d'un circuit électrique existe une grandeur appelée tension ⁵. Le programme demande aussi d'établir la relation entre l'énergie électrique et la charge électrique transférée à travers un dipôle ¹. Voici le raisonnement qui en découle.

Ce phénomène explique le fonctionnement d'une bouilloire, d'un grille-pain ou d'un radiateur électrique : toute la puissance électrique reçue devient de la chaleur. Il explique aussi pourquoi les câbles et les composants chauffent : une partie de l'énergie est « perdue » pour l'usage voulu.