Energie
Notions de bases

A propos d'énergie électrique

Pour un appareil électrique, la Puissance (P) s'exprime en Watt (W). Ça correspond à une consommation maximale à un instant t permettant une certaine puissance de travail au sens large (la rotation de la soufflerie de mon aspirateur, le chauffage de mon four, ...).

Par exemple un four peut avoir une puissance max de 2kW.  Le rendement sera la différence entre la puissance électrique consommée et l'énergie restituée après transformation.​​

La quantité d'énergie s'exprime en kWh. Si je mets mon four à fond pendant une heure, j'aurai dépensé 2 kWh.

​

La puissance P est fonction de la tension (U)  et de l'Intensité (I). P= U * I  : pour une tension U de 220 Volt et une Intensité I de 10 ampères, on obtient une puissance de 2200 Watt.

​​

La Tension est la différence de potentiel électrostatique entre un point et un autre du circuit ( par unité de charge). Le potentiel c'est une sorte de hauteur électrique (la différence de potentiel serait comme une différence entre 2 hauteurs électriques, entre des ions positifs d'un côté et des ions négatifs de l'autre par exemple en sortie d'une batterie).  Le potentiel est lié à la force (en Newton) initialement exercée sur les porteurs de charge (électrons). Cette force met en mouvement les électrons.  Illustration par le CEA (via une turbine) . Un autre exemple, c'est le silicium d'un panneau photovoltaïque qui va capter l'énergie des photons des rayons du soleil : en recevant ces photons, les électrons situés dans le panneau vont s'agiter et produire de l'électricité. Illustration du photovoltaïque (CEA)

Pour que ces électrons "agités" puissent circuler, il faut fermer le circuit (en branchant la prise ou en fermant l'interrupteur) de façon à mettre le circuit sous tension, donc avec une différence de potentiel. La vitesse de dérive des électrons est proportionnelle au champ électrique qui les met en mouvement (on peut considérer qu'ils sont attirés vers le côté ayant le potentiel le plus élevé).

​​​​

L'Intensité correspond à la quantité d'électrons qui passent par un point en une période donnée. C'est un nombre de Coulombs qui passent par seconde.

💡 La charge électrique (en Coulomb) est une propriété fondamentale de la matière qui lui permet d'interagir par le biais de champs électromagnétiques. Il s'agit d'une grandeur scalaire qui joue pour l'interaction électromagnétique le même rôle que la masse pour l'interaction gravitationnelle, sauf qu'il existe deux types de charges électriques : positives ou négatives. Des charges de même signe se repoussent, tandis que celles de signes opposés s'attirent. 1 Coulomb = quantité de charge transportée en une seconde par un courant électrique ayant une intensité d'un ampère.

​

Transformation de l'électricité en une autre énergie

Revenons à l'électricité consommée par mon four : elle va circuler (c'est la "mer" d'électrons qui dérive vers le potentiel le plus élevé) à la fois dans l'ampoule, dans les circuits imprimés du minuteur... et surtout dans la résistance. Le matériau de la résistance, en étant traversé par le courant, va le "freiner", il va "résister" à la circulation du courant : ce sont les collisions entre les charges électriques (électrons ou ions) avec les atomes du conducteur. Ces collisions produisent de la chaleur (c'est l'effet Joule).  La résistance exercée par un conducteur tient à son matériau de fabrication et à sa taille. Matériau et taille détermineront la quantité d’électricité que la résistance peut absorber et restituer sous forme de chaleur. La résistance est mesurée en ohms, dont l'unité est symbolisée par la lettre grecque oméga (Ω).

La loi d'Ohm est le lien entre la valeur R d'une résistance, la tension U à ses bornes et l'intensité I qui la traverse.  U =  R ×   I

U = tension aux bornes de la résistance, en volt (V). I = intensité qui traverse la résistance, en ampère (A). R = valeur de la résistance, en Ohm (Ω).  

​

​La lampe de mon four va elle produire de la lumière en faisant passer le courant électrique à travers un matériau semi-conducteur : la diode (LED = diode électroluminescente ou Light-Emitting Diode). Elle émet de la lumière grâce au principe de l'électroluminescence. 

La production de lumière se fait car les électrons "agités" redescendent vers un état plus stable en libérant de l'énergie photonique, c'est le principe de l'électroluminescence. 

💡 Électrons et photons sont des ondes électromagnétiques. Les électrons sont des excitations dans le champ électronique, et les photons sont des excitations dans le champ photonique. Les règles de la physique des particules disent que ces deux champs sont couplés. Cela signifie que les changements de l'un influencent l'autre, et vice versa. Lorsque le champ électronique change, comme lorsqu'un électron passe d'un état excité à un état fondamental, cela provoque un changement du champ photonique, et un photon est créé. Ce photon peut alors s'éloigner, et s'il trouve une autre excitation dans le champ électronique ailleurs, il provoquera des changements dans celui-ci (ce qui pourrait signifier par exemple une diffusion sur un électron, ou une absorption par l'électron et le pousser dans un état excité).

 

Autrefois les ampoules comprenaient un filament en tungstène. Electrifié, il s’échauffe très rapidement. Dans l’air, le filament brûlerait bien avant d’atteindre les 1600°C nécessaires à son incandescence et donc à la production de lumière. L’ampoule en verre est donc un milieu fermé contenant un gaz inerte (argon ou azote par exemple) qui empêche la combustion du filament.​

​​

Pour le transport du courant, on a besoin de matériaux très conducteurs, comme le cuivre, qui vont opposer une faible résistance (donc peu de perte et d'échauffement). 

Dans les logements, la majorité de la distribution électrique (ex : prises) s'effectue sous des intensités limitées à 10 ou 16 A. Les plus grandes lignes à haute tension ont des ampèrages jusqu'à 2500 A.

💡 Pour le transport de grandes puissances de courant, il est plus intéressant de monter le Voltage que l'Intensité (P= U * I) car plus le câble est "gros"​​​​ (pour une intensité élevée) plus il y a de la perte : même si le câble est très conducteur, il n'existe pas de résistance négligeable. D'où l'intérêt du 400 000 Volts.

​

Les onduleurs permettent de passer d'un courant alternatif (nécessaire pour le transport) au courant continu (par exemple en sortie d'une batterie), ou l'inverse.

Les transformateurs permettent de passer d'une différence de potentiel à une autre (de 12 V à 220V à la maison ou dans le van), ou de 400 000 V sur une ligne haute tension à 30 000V sur une ligne moyenne tension.

​

Pour le stockage de l'énergie,  les deux procédés principaux actuellement utilisés sont la batterie et le barrage hydroélectrique.

Les batteries utilisent les propriétés des éléments qui la composent : par exemple les noyaux atomiques des deux isotopes stables du lithium (6Li et 7Li) comptent parmi ceux ayant l'énergie de liaison par nucléon la plus faible de tous les isotopes stables, ce qui signifie que ces noyaux sont assez peu stables comparés à ceux des autres éléments légers, ils vont donc perdre plus facilement que d'autres un électron lors d'une réaction d'oxydation. Et par rapport à d'autres matériaux, il est plus léger, intéressant dans une voiture !

Les hydrocarbures constituent par ailleurs des réserves d'énergie, mais si on peut remonter l'eau dans un barrage quand on a de l'énergie en excès, on ne peut pas créer des réserves de pétrole artificiellement...