ÉNERGIE ÉLECTRIQUE ET CHALEUR

La notion d'énergie fut suggérée à l'homme par l'observation de phénomènes naturels ; en observant par exemple le vent, la foudre ou les éruptions volcaniques, il vient spontanément à l'idée que la nature n'est pas une chose inerte mais qu'elle possède une énergie que l'homme s'est ensuite ingénié à utiliser.

Pour cela, il est cependant nécessaire de domestiquer les manifestations de l'énergie naturelle, mais ceci n'est pas toujours faisable et l'homme a dû reproduire artificiellement ces phénomènes naturels de la façon la plus appropriée pour ensuite utiliser l'énergie mise en jeu.

Dans ces cas, on dit communément que l'énergie est "consommée", pour en obtenir un travail ou de la chaleur. Quand nous nous trouvons en face de travail ou de chaleur, produits artificiellement par l'homme, nous devons nous souvenir que ce travail ou cette chaleur ont été obtenus aux dépens d'une énergie correspondante qui a été consommée. Par exemple, l'échauffement du filament d'une ampoule, qui devient incandescent jusqu'à produire de la lumière "consomme" de l'énergie, cette énergie est de nature électrique. En réalité, l'énergie n'est pas consommée mais simplement transformée en un autre type d'énergie. Il est donc plus correct de dire que l'énergie électrique se transforme en énergie mécanique (c'est-à-dire en travail) ou en énergie thermique (chaleur ou lumière).

Nous allons à présent analyser la production de chaleur à partir de l'énergie électrique, puis nous analyserons comment de cette énergie électrique nous pouvons obtenir du travail.

EFFET THERMIQUE DU COURANT

La chaleur produite grâce à l'énergie électrique est due à l'effet thermique du courant, qui consiste en l'échauffement d'un conducteur parcouru par ce courant.

Voyons en premier lieu de quelle façon un courant, parcourant un conducteur, peut produire son échauffement. Comme nous le savon déjà, les corps et donc les conducteurs sont constitués d'atomes qui occupent les positions déterminées.

Lorsqu'un courant circule dans un conducteur, le passage des électrons de ce courant est gêné par les atomes du conducteur contre lesquels se heurtent ces électrons ; ces derniers cèdent ainsi une part de leur énergie qui réchauffe le conducteur.

ÉNERGIE ÉLECTRIQUE

L'énergie électrique est une grandeur électrique qui peut être quantifiée. Cela est important car cette énergie est très coûteuse. Pour voir de quelle manière nous pouvons mesurer l'énergie électrique, référons-nous à un circuit très simple tel que celui de la figure 1.

D1

Ce circuit est constitué d'une batterie reliée à deux résistances égales R montées en série. Pour notre explication, nous supposons que ces deux résistances appartiennent à un radiateur électrique.

Il est important de se rappeler que toutes les charges constituant le courant électrique circulant dans notre circuit sont égales. Donc, ce qui est vrai pour l'une d'elle est vrai pour toutes les autres. Pour notre explication, analysons ce qui se produit sur une charge, par exemple un électron.

Figure 1, suite au passage du courant dans les deux résistances, il se produit un dégagement de chaleur, l'énergie de l'électron y est donc consommée.

Aux bornes des deux résistances (entre les points C et E), la tension est identique à celle aux bornes de la batterie (points A et B) donc de 90 V (la chute de tension dans les conducteurs étant négligeable). Cette tension de 90 V se divise en deux parties égales de 45 V puisque les résistances sont identiques et montées en série. Ces deux résistances fournissent donc chacune la moitié de la chaleur globale produite par le radiateur.

L'électron qui traverse ces deux résistances à tour de rôle perd une moitié de son énergie dans la première résistance et l'autre moitié dans la seconde résistance.

Considérons maintenant la résistance reliée entre les points C et D et voyons quelles valeurs possèdent l'énergie de l'électron et le potentiel électrique.

Au point C, l'électron possède toute son énergie, le point C a donc un potentiel supérieur de 90 V au point E.

Au point D, après avoir traversé la première résistance, l'électron ne possède plus que la moitié de son énergie puisque cette résistance en a consommé une moitié pour produire de la chaleur.

Le point D a un potentiel de 45 V supérieur au point E, c'est-à-dire la moitié des 90 V présents au point C.

Nous constatons ainsi qu'à une diminution d'énergie subie par l'électron en traversant la résistance correspond une diminution analogue du potentiel aux bornes de cette même résistance.

La différence de potentiel ainsi créée correspond à l'énergie cédée à la résistance par les électrons du courant électrique, énergie transformée en chaleur.

Pour ne rien omettre dans mon explication, il nous faut préciser que l'énergie possédée par la charge électrique est fournie par la batterie suite aux réactions chimiques qui se produisent à l'intérieur de celle-ci entre ses électrons et la solution électrolytique qu'elle contient.

L'altération des électrodes et le phénomène de polarisation expliqués précédemment et qui provoque l'épuisement de la batterie sont justement dûs aux réactions chimiques internes à la pile.

Ce qui se passe pour un électron et évidemment vrai pour tous ceux composant le courant électrique car chacun des électrons apporte sa contribution d'énergie qu'il a reçue de la pile.

Si à présent, nous désirons connaître l'énergie totale consommée par le radiateur pour produire de la chaleur, il suffit de multiplier la tension qui lui est appliquée par la batterie, par le nombre de charges c'est-à-dire que la quantité d'électricité qui a traversé les résistances pendant la totalité du temps de fonctionnement.

Comme nous le verrons un peu plus tard, la tension est facilement mesurable, par contre, il n'en est pas de même pour la quantité d'électricité. Cependant, nous pouvons également mesurer l'intensité du courant électrique qui, comme nous le savons correspond à la quantité d'électricité, autrement dit, le nombre de coulombs qui traversent un circuit en une seconde.

En conclusion, si nous multiplions la tension appliqué au radiateur par l'intensité du courant électrique qui le traverse, nous connaîtrons l'énergie utilisée en une seconde par le radiateur pour produire de la chaleur. Cette énergie représente la puissance électrique (symbole P) du radiateur. Il faut retenir que :

La puissance électrique d'un appareil électrique correspond à l'énergie absorbée par cet appareil en une seconde : elle est obtenue en multipliant la tension appliquée à ses bornes par l'intensité du courant qui le traverse :

P = V x I

L'unité de mesure de la puissance électrique est le watt (symbole W) tandis que la tension et l'intensité s'expriment respectivement en volt et en ampère.

Dans les applications pratiques, vous serez appelés à rencontrer des puissances très grandes ou au contraire très petites : pour les fortes puissances, on utilise le kilowatt (symbole kW) qui vaut mille watts. Pour les faibles puissances, on utilise le milliwatt (symbole mW) qui est le millième partie du watt.

Connaître la puissance électrique d'un appareil électrique est très important parce que cette information donne immédiatement une idée de l'énergie consommée par cet appareil. Pour cette raison, les fabricants indiquent sur leurs appareils la puissance électrique de ceux-ci.

Supposons par exemple, que sur un radiateur électrique figure la puissance de 500 W. Cela signifie que ce radiateur consomme une énergie de 500 W à chaque seconde. S'il fonctionne une heure, il consommera une énergie 3 600 fois plus grande, étant donné qu'il y a 3 600 secondes dans une heure (60 X 60). nous pourrons dire que :

L'énergie consommée par un appareil électrique maintenu en fonctionnement pendant un temps déterminé, s'obtient en multipliant sa puissance exprimée en watt par le temps exprimé en secondes.

W = P x t

Puisque pour obtenir l'énergie, nous multiplions la puissance en watt par le temps en seconde. Il est évident que cette énergie se mesure en watt par seconde (Ws). A cette unité de mesure de l'énergie électrique a été donné le nom de joule (symbole J).

Les appareils électriques fonctionnant en général pendant un temps très supérieur à la seconde, il n'est pas pratique de calculer l'énergie ainsi consommée en multipliant la puissance en watt par le temps de fonctionnement exprimé en seconde.

Pour cette raison, il est préférable de multiplier la puissance en watt par le temps exprimé en heure, l'énergie est alors exprimée non plus en watt par seconde, c'est-à-dire en joule, mais en watt par heure c'est-à-dire en watt-heure (symbole Wh) qui équivaut à 3 600 joules (1 heure = 3 600 secondes)

En pratique, vous rencontrerez le kilowatt-heure (symbole kWh) qui vaut 1000 Wh. Par exemple, les compteurs d'électricité installés dans les habitations mesurent l'énergie électrique consommée en kilowatt-heure.


LOI DE JOULE

Nous connaissons maintenant la relation qui lie la tension et le courant à la puissance électrique et à l'énergie consommée pour produire de la chaleur.

Or, nous savons que cette production de chaleur est due à la résistance rencontrée par les charges électriques du courant lors de leur déplacement au travers d'un conducteur. L'énergie consommée dépend donc directement du courant et de la résistance qu'il rencontre.

Il existe effectivement une relation qui lie ces deux grandeurs à l'énergie. Pour mieux comprendre leur action vis-à-vis de l'énergie, il faut tout d'abord se référer à l'énergie consommée chaque seconde autrement dit à la puissance électrique.

Cette relation, énoncée par le physicien anglais (eh oui !) James Prescott JOULE (1818-1889), est appelée loi de Joule. Comme nous l'avons déjà vu, ce physicien a également donné son nom à l'unité de mesure d'énergie ainsi qu'à l'effet thermique du courant appelé effet Joule.

La loi de Joule peut s'énoncer ainsi :

La puissance électrique consommée par une résistance pour produire de la chaleur s'obtient en multipliant la valeur de la résistance par le carré du courant qui la traverse :

P = R x I2

Si la résistance et le courant sont mesurés respectivement en Ohm et en Ampère, la puissance est exprimée en watt.

La loi de Joule peut se déduire de celle déjà vue : P = V x I. En effet, de la loi d'Ohm, la tension V aux bornes d'une résistance est donnée par V = R x I. Si nous remplaçons V par ce produit, nous obtenons :

P = R x I x I = R x I2

Nous pouvons faire deux constatations à partir de cette formule.

La première est que la puissance consommée augmente dans les mêmes proportions que la résistance, par exemple si la résistance double, la puissance double également.

S'il n'en est pas de même lorsque le courant augmente, en effet si par exemple le courant double, la puissance est multipliée par 4.

Nous pouvons donc affirmer que :

La puissance électrique P augmente en fonction du carré du courant.

Si dans la formule P = V x I nous remplaçons non pas V par sa valeur en fonction de la loi d'Ohm mais I, soit I = V / R nous trouvons une nouvelle formule de la puissance :

P = V x I = V x V / R = V2 / R

Donc       P = V2 / R

Dans le cas où R double, la puissance P diminue de moitié tandis que si V double, la puissance est multipliée par 4.

Nous pouvons déduire que :

La puissance électrique P augmente en fonction du carré de la tension.

Nous sommes maintenant en mesure de calculer la puissance et donc l'énergie électrique consommée pour produire de la chaleur en connaissant deux des trois grandeurs électriques que son la tension, le courant et la résistance dont dépend le fonctionnement de tout circuit électrique.

Mais quelle quantité de chaleur obtient-on en consommant une énergie déterminée ?

La réponse fut apportée par JOULE suite aux nombreuses expériences qu'il réalisa.

Tout d'abord, pour mesurer une quantité de chaleur, il faut lui donner une unité de mesure propre.

Pour effectuer ce calcul, on exploite le fait que lorsqu'un corps reçoit de la chaleur, sa température augmente.

Puisque cette augmentation de chaleur est mesurable à l'aide d'un thermomètre, il est possible de déduire la quantité de chaleur reçue par le corps.

C'est ainsi que fut définie l'unité de mesure de quantité de chaleur appelée Calorie (symbole Cal). Il a été convenu que :

La calorie est la quantité de chaleur nécessaire pour élever de un degré Celcius (par exemple de 20°C à 21°C) la température d'un gramme d'eau.

Pour les quantités de chaleur généralement rencontrées en pratique, on utilise la kilocalorie (symbole kCal), ce multiple de la calorie est défini en se référant non plus à un gramme d'eau mais à un kilogramme d'eau. La kilocalorie est mille fois plus grande que la calorie. On utilise également la thermie (symbole th) qui vaut 1 million de calories (soit une mégacalorie).

Joule quantifia ses expériences de façon précise en utilisant un conducteur de résistance connue parcouru par un courant connu et ceci pendant un temps donné. Il détermina que pour chaque joule d'énergie consommée, il obtenait 0,238 cal. Cette quantité de chaleur est appelée équivalent thermique de l'énergie. Inversement pour une quantité de chaleur de 1 calorie, il faut 4,185 Joules.

RÉSISTANCES ET PUISSANCE

Voyons à présent comment les nouvelles grandeurs électriques que sont la puissance et l'énergie s'appliquent à un élément tel qu'une résistance.

Reprenons le circuit utilisé lors de l'analyse des liaisons séries et représenté figure 2.

D2 

Comme la pile fournie une tension de 9 V tandis que la lampe ne nécessite que 6 V, nous avons dû relier en série avec la lampe une résistance qui provoque une chute de tension de 3 V. Cette résistance déterminée produit de la chaleur en consommant de l'énergie électrique. Cette énergie est consommée inutilement puisque le rôle du circuit n'est pas de produire de la chaleur mais de produire de la lumière par le biais de la lampe et non par le rougeoiement de la résistance.

L'énergie consommée par la résistance à chaque seconde, c'est-à-dire la puissance électrique doit être considérée comme de la puissance dissipée puisqu'elle n'est pas utilisée d'une manière ou d'une autre. Pour cette raison, les résistances sont appelées : éléments dissipant de la puissance.

Essayons à présent de calculer la puissance dissipée par la résistance R (soit PR) et celle dissipée par la lampe L (PL). Nous supposons que le courant circulant dans le circuit de la figure 2 a une intensité de 0,05 A (50mA). Ce courant correspond au courant absorbé par la lampe.

En appliquant la formule P = V x I, nous obtenons les valeurs de PR et de PL.

PR = VR x I = 3 x 0,05 = 0,15 W = 150 mW

PL = VL x I = 6 x 0,05 = 0,3 W = 300 mW

Les mêmes valeurs peuvent être obtenues en appliquant les autres relations que nous connaissons soit :

P = R x I2   et    P = V2 / R

Dans ces cas, il faut auparavant déterminer la valeur de la résistance R et celle du filament de L en appliquant la loi d'Ohm.

R = VR / I = 3 / 0,05 = 60 Ohms

RL = VL / I = 6 / 0,05 = 120 Ohms

Ce qui donne pour les deux puissances PR et PL :

PR = R x I2 = 60 x (0,05 x 0,05) = 60 X 0,0025 = 0,15 W = 150 mW

et      PL = VL2 / R = (6 x 6) / 120 = 36 / 120 = 0,3 W = 300 mW

La résistance R devra donc être en mesure de dissiper une puissance au moins égale à 150 mW. Une résistance est un composant électronique caractérisé non seulement par sa valeur ohmmique mais également par sa puissance maximale qu'il peut dissiper sans risque de destruction.

Il existe ainsi des résistances qui, bien que possédant la même valeur résistive dissipent des puissances très différentes, qui vont de fractions de watt à plusieurs dizaines de watts. Elles se différencient par leurs dimensions ou par les matériaux avec lesquels elles sont fabriquées.

C'est ainsi que la technique aidant, les constructeurs arrivent à diminuer les dimensions des résistances tout en conservant des puissances fortes.

De l'augmentation de température produite par la dissipation de la puissance en chaleur, dérive un fait important. Précédemment, il a été dit que plus la température d'un corps est élevée, plus l'agitation de ses atomes est importantes, ceci est vrai aussi pour les résistances et en général pour tous les conducteurs.

Mais si les atomes s'agitent avec plus d'amplitude, il leur est plus facile de se trouver sur le parcours des charges constituant le courant électrique qui circule dans le conducteur. Nous pouvons alors en déduire que :

En augmentant la température d'un conducteur, sa résistance électrique augmente. Cette augmentation de résistance est différente d'un matériau à l'autre.

Pour chacun d'eux, nous pouvons connaître cette augmentation à l'aide du coefficient de température qui indique de combien augmente une résistance de 1 Ohm quand sa température s'accroît de 1° C et ceci pour un matériau donné.

Pour les résistances, les constructeurs emploient des matériaux à faible coefficient de température de sorte que leur valeur résistive ne subisse pas de variation sensible, même si la température atteint des valeurs élevées.

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