1. Puissance électrique : la « vitesse » de consommation
Dans un atelier de communication visuelle, chaque appareil porte une plaque signalétique : un flash de studio de 300 W, une presse à chaud de 2 000 W, une imprimante grand format de 800 W. Cette valeur est la puissance électrique : elle indique « à quelle vitesse » l'appareil consomme de l'énergie quand il fonctionne.
Puissance électrique P : grandeur qui caractérise la rapidité avec laquelle un appareil reçoit (ou convertit) de l'énergie électrique. Son unité est le watt (W).
1 kW = 1 000 W. Plus la puissance est grande, plus l'appareil consomme vite de l'énergie.
P = U × I (en régime continu)
- P : puissance électrique reçue en watt (W)
- U : tension électrique en volt (V)
- I : intensité du courant en ampère (A)
Formules transformées : U = P / I et I = P / U.
Exemple résolu — Presse à chaud de flocage : une presse à chaud utilisée pour marquer des tee-shirts est branchée sous U = 230 V et traverse une intensité I = 8,7 A. Quelle est sa puissance ?
P = U × I = 230 × 8,7 = 2 001 W ≈ 2,0 kW.
On écrit le résultat avec 2 chiffres significatifs car l'intensité est donnée avec 2 chiffres significatifs (8,7 A).
Établir expérimentalement P = U × I (protocole pas à pas) :
- 1. Brancher une lampe basse tension à un générateur de tension continue réglable.
- 2. Placer un voltmètre en dérivation aux bornes de la lampe (mesure U) et un ampèremètre en série (mesure I).
- 3. Relever U et I pour au moins 5 réglages différents du générateur.
- 4. Calculer le produit U × I pour chaque mesure et tracer la puissance P en fonction de U (ou de I).
- 5. Conclure : la puissance reçue est bien proportionnelle au produit U × I.
- 6. Présenter chaque mesure avec l'unité et un nombre raisonnable de chiffres significatifs (celui de la mesure la moins précise).
2. Énergie électrique : ce que l'on paie
Un flash puissant qui ne se déclenche qu'une seconde ne coûte presque rien ; un ordinateur modeste allumé 8 heures coûte plus cher. Ce qui compte sur la facture, c'est l'énergie : la puissance multipliée par la durée d'utilisation.
Énergie électrique E : grandeur qui mesure la quantité totale d'électricité consommée. Unité du système international : le joule (J). Unité utilisée sur les factures : le kilowattheure (kWh).
E = P × t
- E en joule (J) si P en watt (W) et t en seconde (s)
- E en kilowattheure (kWh) si P en kilowatt (kW) et t en heure (h)
Conversion essentielle : 1 kWh = 3 600 000 J = 3,6 × 106 J = 3,6 MJ.
Démonstration : 1 kWh = 1 000 W × 3 600 s = 3 600 000 J.
Exemple résolu — Imprimante grand format : une imprimante de traceur (P = 800 W) fonctionne 5 h dans la journée. Énergie consommée en kWh ?
Conversion : P = 800 W = 0,8 kW.
E = P × t = 0,8 × 5 = 4 kWh.
En joules : E = 4 × 3,6 × 106 = 1,44 × 107 J.
À 0,20 € le kWh, la journée d'impression coûte 4 × 0,20 = 0,80 €.
Exemple résolu — Flash de studio : un flash de 300 W se déclenche pendant t = 1/500 s = 0,002 s. Énergie d'un éclair ?
E = P × t = 300 × 0,002 = 0,6 J. La puissance est grande mais la durée très courte : l'énergie reste faible.
Vigilance — unités : le kWh est une unité d'énergie, pas de puissance ! Dire « cet appareil a une puissance de 4 kWh » est faux. Vérifier toujours la cohérence : W avec s → J ; kW avec h → kWh.
3. Mesurer la puissance et l'énergie
- Wattmètre : mesure directement la puissance reçue par un appareil.
- Voltmètre + ampèremètre : on mesure U et I, puis on calcule P = U × I.
- Compteur électrique : mesure l'énergie consommée en kWh (c'est lui qui sert à établir la facture).
Mesures et incertitudes — présenter un résultat de mesure :
- 1. Repérer dans la notice de l'appareil de mesure sa précision (par exemple ± 0,5 % de la valeur lue).
- 2. Effectuer si possible plusieurs mesures et calculer la moyenne : c'est la meilleure estimation de la grandeur.
- 3. Évaluer la dispersion (écart-type) pour juger de la variabilité.
- 4. Écrire le résultat avec un nombre de chiffres significatifs cohérent avec la précision : par exemple I = 8,7 A (2 chiffres) plutôt que 8,713 4 A.
4. Sécurité électrique dans l'atelier
Dispositifs de protection et leur rôle :
- Fusible / disjoncteur divisionnaire : coupe le circuit si l'intensité dépasse une valeur limite (surcharge ou court-circuit). Calibre adapté à la section des fils.
- Disjoncteur différentiel (30 mA) : détecte une fuite de courant vers la terre et coupe l'alimentation : il protège les personnes contre l'électrisation.
- Mise à la terre : évacue les courants de défaut des carcasses métalliques des machines (presses, massicots).
- Multiprises : ont une puissance maximale admissible (souvent 3 500 W). Ne jamais y brancher ensemble une presse à chaud (2 000 W), un four de séchage et des éclairages puissants : risque d'échauffement et d'incendie.
Avant toute intervention sur une machine : couper l'alimentation, vérifier l'absence de tension, ne jamais contourner une protection.