🗼 Le transport de l'électricité : pourquoi la haute tension ?
Pourquoi installe-t-on des lignes à 400 000 volts au-dessus des champs alors que nos prises n'en ont que 230 ? Fais le duel : deux lignes transportent la même puissance vers la même ville, l'une en haute tension, l'autre non. Regarde quels câbles rougissent, dans quelle ville les maisons restent éclairées… et pourquoi multiplier la tension par 10 divise les pertes par 100.
🧪 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
- Pour transporter la même puissance P = U × I, une ligne à plus haute tension a besoin d'un courant plus faible : les grains de courant y circulent plus lentement.
- Les pertes par effet Joule valent PJ = R I² : avec un courant 20 fois plus faible, les câbles chauffent 400 fois moins. Les câbles de la ligne en basse tension rougissent, ceux de la très haute tension restent froids.
- Si la chute de tension R I devient plus grande que U, la ligne ne peut plus rien livrer : c'est ce qui arrive si l'on veut alimenter une ville de 50 MW sous 20 kV à 100 km.
- Les transformateurs permettent de passer d'une tension à l'autre : l'élévateur, à la sortie de la centrale, multiplie la tension et divise l'intensité ; l'abaisseur, à l'arrivée, ramène la tension à 230 V pour les maisons.
- Les pylônes grandissent avec la tension : plus la tension est haute, plus il faut éloigner les câbles du sol et les isoler avec de longues chaînes d'isolateurs.
Expériences à faire
- Avec les réglages de départ, quelle est la plus petite tension qui limite les pertes à 1 % ?
- Double la longueur de la ligne : les pertes doublent-elles ? Et si tu doubles la section du câble ?
- Compare l'aluminium et le cuivre : pourquoi utilise-t-on pourtant l'aluminium pour les lignes ? (pense à la masse et au prix)
- Une maison isolée à 1 km, alimentée en 230 V : quelle section de câble faut-il pour perdre moins de 5 % ?
- Peut-on transporter 1 000 MW sur 500 km avec moins de 3 % de pertes ? Avec quelle tension ?
La physique derrière l'animation
- Puissance électrique transportée : P = U × I (en régime continu, ou en alternatif avec cos φ = 1), donc I = P / U.
- Résistance d'une ligne de longueur L (aller et retour) : R = ρ × 2L / S (aluminium : ρ = 2,8 × 10−8 Ω·m ; cuivre : 1,7 × 10−8 Ω·m).
- Pertes en ligne par effet Joule : PJ = R × I² = R × P² / U². À puissance et câble fixés, les pertes sont divisées par k² quand la tension est multipliée par k.
- Transformateur parfait : U2 / U1 = N2 / N1 = m et U1 I1 = U2 I2, donc I2 = I1 / m. Il ne fonctionne qu'en courant alternatif.
- Réseau français : production vers 20 kV, transport en 400 kV et 225 kV, répartition en 63 kV et 90 kV, distribution en 20 kV puis 400 V / 230 V. Modèle simplifié : ligne à deux fils, sans réactance.
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