💡 Puissance, énergie et rendement d'un convertisseur
Ta bouilloire, ton chargeur et ta box ont un point commun : ils transforment de l'énergie… et en gaspillent une partie. Choisis un appareil, regarde le compteur tourner et le diagramme des flux se partager entre énergie utile et énergie perdue. Bonus : découvre combien coûte vraiment une box qui « dort » toute l'année.
🧪 Mode d'emploi : règle les curseurs (à droite, ou sous l'animation sur téléphone), lance avec ▶, observe les mesures et relève les 🎯 défis. Le bouton ⛶ agrandit l'animation, idéal sur téléphone à l'horizontale.
Ce que tu vois
- La puissance reçue est P = U × I : à tension égale (230 V), une bouilloire de 2 200 W appelle près de 10 A, une lampe LED de 8 W à peine 35 mA.
- L'énergie consommée grandit avec le temps : E = P × Δt. Le joule est minuscule à l'échelle d'une maison, d'où le kilowattheure : 1 kWh = 3,6 × 106 J.
- Dans le diagramme des flux, la largeur de chaque flèche est proportionnelle à la puissance : l'énergie reçue se partage entre énergie utile et énergie perdue, rien ne disparaît.
- L'effet Joule P = R I² transforme l'énergie électrique en chaleur : c'est le but recherché dans une bouilloire, mais une perte dans un moteur ou un chargeur.
- Le rendement du moteur dépend de la charge : trop légère, les frottements dominent ; trop lourde, l'intensité augmente et l'effet Joule en R I² explose, jusqu'à faire caler le moteur.
Expériences à faire
- Avec la bouilloire, compare le temps d'ébullition couvercle ouvert et couvercle fermé. Pourquoi est-ce différent ?
- Calcule le temps pour faire bouillir 1,5 L d'eau avec 2 000 W, puis vérifie : Δt = m c ΔT / (η P).
- Choisis « ✏️ Mon appareil » et entre la puissance écrite sur la plaque d'un appareil de chez toi (four, console, sèche-cheveux…) : combien coûte-t-il en un an ?
- Avec le treuil, augmente la masse : comment évoluent l'intensité, l'effet Joule et le rendement ? À partir de quelle masse le moteur cale-t-il ?
- Un panneau solaire de 1,7 m² éclairé à 1 000 W/m² fournit combien de watts électriques ? Quelle surface faudrait-il pour faire fonctionner la bouilloire ?
La physique derrière l'animation
- Puissance électrique reçue par un dipôle : P = U × I (en watts, U en volts, I en ampères). Énergie : E = P × Δt (en joules si Δt est en secondes, en kWh si P est en kW et Δt en heures).
- Effet Joule dans un conducteur ohmique : PJ = R × I² = U² / R. Toute l'énergie reçue par la résistance est dissipée en chaleur.
- Rendement d'un convertisseur : η = Eutile / Ereçue = Putile / Preçue, toujours inférieur à 1. Conservation : Preçue = Putile + Pperdue.
- Chauffer de l'eau : Q = m × c × ΔT avec c = 4 180 J·kg−1·K−1. Pour 1 L de 20 °C à 100 °C : Q = 334 400 J, soit Δt = Q / (η P) ≈ 2 min 50 s avec 2 200 W et η = 90 %.
- Valeurs typiques utilisées : halogène 50 W et LED 8 W pour environ 800 lumens (≈ 3 W de lumière visible), panneau solaire η = 20 %, chargeur η = 85 %, box en veille 15 W, moteur U = 12 V, R = 1,5 Ω.
D'autres animations
Série ou dérivation : le circuit des lampes
Monte 2 ou 3 lampes en série ou en dérivation, grille-les, et vérifie la loi des nœuds et la loi des mailles avec ampèremètres et voltmètres.
Manipuler →Les capteurs résistifs : CTN et photorésistance
Étalonne une thermistance CTN dans l'eau chaude, retrouve la température d'un bécher mystère et règle une veilleuse automatique.
Manipuler →La caractéristique d'un dipôle
Mesure U et I point par point et trace la caractéristique d'une résistance, d'une lampe, d'une diode ou d'une DEL. Sans rien griller… ou presque.
Manipuler →Et maintenant, on passe aux choses sérieuses ? 😉
ExpoSinus est un site d'éducation : les jeux et les articles sont là pour donner envie, les cours et les exercices pour progresser vraiment.