Énergie dans les circuits électriques

En plus de la tension et du courant, il existe un autre paramètre important lié aux circuits électriques :la puissance . Tout d'abord, nous devons comprendre ce qu'est la puissance avant de l'analyser dans n'importe quel circuit.

Qu'est-ce que la puissance et comment la mesurons-nous ?

La puissance est une mesure de la quantité de travail qui peut être effectuée dans un laps de temps donné. Travail est généralement défini en termes de levage d'un poids contre l'attraction de la gravité. Plus le poids est lourd et/ou plus il est soulevé haut, plus le travail a été effectué. Puissance est une mesure de la rapidité avec laquelle une quantité standard de travail est effectuée.

Pour les automobiles américaines, la puissance du moteur est évaluée en une unité appelée « puissance en chevaux », inventée initialement pour permettre aux fabricants de moteurs à vapeur de quantifier la capacité de travail de leurs machines en fonction de la source d'énergie la plus courante de leur époque :les chevaux.

Un cheval-vapeur est défini en unités britanniques comme 550 pi-lb de travail par seconde de temps. La puissance du moteur d'une voiture n'indiquera pas la hauteur d'une colline qu'elle peut gravir ou le poids qu'elle peut remorquer, mais elle indiquera à quelle vite il peut gravir une colline spécifique ou remorquer un poids spécifique.

La puissance d'un moteur mécanique est fonction à la fois de la vitesse du moteur et de son couple fourni à l'arbre de sortie. La vitesse de l'arbre de sortie d'un moteur est mesurée en tours par minute, ou RPM.

Le couple est la quantité de force de torsion produite par le moteur, et il est généralement mesuré en livres-pieds ou lb-ft (à ne pas confondre avec les pieds-livres ou les pieds-livres, qui sont l'unité de travail). Ni la vitesse ni le couple ne constituent à eux seuls une mesure de la puissance d'un moteur.

Un moteur de tracteur diesel de 100 chevaux tournera relativement lentement, mais fournira de grandes quantités de couple. Un moteur de moto de 100 chevaux tournera très vite mais fournira relativement peu de couple. Les deux produiront 100 chevaux, mais à des vitesses et des couples différents. L'équation de la puissance à l'arbre est simple :

Remarquez qu'il n'y a que deux termes variables du côté droit de l'équation, S et T. Tous les autres termes de ce côté sont constants :2, pi et 33 000 sont tous des constantes (ils ne changent pas de valeur). La puissance ne varie qu'avec les changements de vitesse et de couple, rien d'autre. Nous pouvons réécrire l'équation pour montrer cette relation :

Parce que l'unité de la "puissance" ne coïncide pas exactement avec la vitesse en tours par minute multipliée par le couple en livres-pieds, nous ne pouvons pas dire que la puissance égale ST. Cependant, ils sont proportionnels à une autre. Au fur et à mesure que le produit mathématique de ST change, la valeur de la puissance changera dans la même proportion.

Puissance en fonction de la tension et du courant

Dans les circuits électriques, la puissance est fonction à la fois de la tension et du courant. Sans surprise, cette relation ressemble de manière frappante à la formule de puissance « proportionnelle » ci-dessus :

Dans ce cas, cependant, la puissance (P) est exactement égale au courant (I) multiplié par la tension (E), plutôt que d'être simplement proportionnelle à IE. Lorsque vous utilisez cette formule, l'unité de mesure de la puissance est le watt , abrégé par la lettre « W ».

Il faut comprendre que ni la tension ni le courant ne constituent en eux-mêmes une puissance. Au contraire, la puissance est la combinaison de la tension et courant dans un circuit. N'oubliez pas que la tension est le travail spécifique (ou l'énergie potentielle) par unité de charge, tandis que le courant est la vitesse à laquelle les charges électriques se déplacent dans un conducteur.

La tension (travail spécifique) est analogue au travail effectué en soulevant un poids contre l'attraction de la gravité. Le courant (taux) est analogue à la vitesse à laquelle ce poids est soulevé. Ensemble, en tant que produit (multiplication), la tension (travail) et le courant (taux) constituent la puissance.

Tout comme dans le cas du moteur diesel du tracteur et du moteur de la moto, un circuit à haute tension et à faible courant peut dissiper la même quantité de puissance qu'un circuit à basse tension et à courant élevé. Ni la quantité de tension seule, ni la quantité de courant seule n'indiquent la quantité d'énergie dans un circuit électrique.

Puissance dans un circuit ouvert/court-circuit

Dans un circuit ouvert, où la tension est présente entre les bornes de la source et le courant est nul, il y a zéro puissance dissipée, quelle que soit la valeur de cette tension. Puisque P=IE et I=0 et que tout ce qui est multiplié par zéro est égal à zéro, la puissance dissipée dans tout circuit ouvert doit être égale à zéro.

De même, si nous devions avoir un court-circuit constitué d'une boucle de fil supraconducteur (résistance absolument nulle), nous pourrions avoir une condition de courant dans la boucle avec une tension nulle, et de même, aucune puissance ne serait dissipée. Puisque P=IE et E=0 et que tout ce qui est multiplié par zéro est nul, la puissance dissipée dans une boucle supraconductrice doit être nulle. (Nous explorerons le sujet de la supraconductivité dans un chapitre ultérieur).

Comment la puissance est-elle liée aux watts ?

Que nous mesurions la puissance dans l'unité de « chevaux-vapeur » ou l'unité de « watt », nous parlons toujours de la même chose :combien de travail peut être effectué dans un laps de temps donné. Les deux unités ne sont pas numériquement égales, mais elles expriment le même genre de chose.

En fait, les constructeurs automobiles européens annoncent généralement la puissance de leur moteur en kilowatts (kW), ou en milliers de watts, au lieu de chevaux ! Ces deux unités de puissance sont liées l'une à l'autre par une simple formule de conversion :

Ainsi, nos moteurs diesel et moto de 100 chevaux pourraient également être classés comme des moteurs « 74570 watts », ou plus exactement, comme des moteurs « 74,57 kilowatts ». Dans les spécifications techniques européennes, cette note serait la norme plutôt que l'exception.

AVIS :

• La puissance est la mesure de la quantité de travail qui peut être effectuée dans un laps de temps donné.
• La puissance mécanique est généralement mesurée (en Amérique) en « chevaux-vapeur ».
• La puissance électrique est presque toujours mesurée en "watts", et elle peut être calculée par la formule P = IE.
• La puissance électrique est un produit à la fois de la tension et actuel, pas l'un ou l'autre séparément.
• La puissance et les watts ne sont que deux unités différentes pour décrire le même type de mesure physique, avec 1 cheval égal à 745,7 watts.

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Feuille de travail de puissance
• Fiche de travail sur l'énergie, le travail et la puissance