Comprendre la puissance dans les circuits électriques : Mesure et signification

Outre la tension et le courant, il existe un autre paramètre important lié aux circuits électriques : la puissance. Nous devons d'abord comprendre ce qu'est la puissance avant de l'analyser dans les circuits.

Qu'est-ce que la puissance et comment la mesure-t-on ?

La puissance mesure la quantité de travail effectuée en un temps donné. Le travail est généralement défini comme le soulèvement d'un poids contre la gravité. Plus le poids est lourd et/ou plus il est élevé, plus le travail effectué est important. La puissance mesure la rapidité avec laquelle une quantité standard de travail est accomplie.

Pour les automobiles américaines, la puissance du moteur est exprimée en « chevaux-vapeur » (horsepower), une unité inventée pour quantifier la capacité de travail des machines à vapeur en termes de la source d'énergie la plus courante de l'époque : les chevaux.

Un cheval-vapeur est défini dans les unités britanniques comme 550 ft-lbs de travail par seconde. La puissance du moteur d'une voiture n'indique pas la hauteur de la colline qu'il peut gravir ni le poids qu'il peut tracter, mais elle indique à quelle vitesse il peut gravir une colline spécifique ou tracter un poids spécifique.

La puissance d'un moteur mécanique dépend à la fois de sa vitesse et de son couple à l'arbre de sortie. La vitesse est mesurée en tours par minute (RPM). Le couple est la force de torsion produite, mesurée en livre-pieds (lb-ft), à ne pas confondre avec les pieds-livres (ft-lbs), l'unité de travail. Ni la vitesse ni le couple seuls ne mesurent la puissance.

Un moteur diesel de tracteur de 100 ch tournera relativement lentement mais fournira un couple important. Un moteur de moto de 100 ch tournera très vite mais fournira peu de couple. Les deux produisent 100 ch, mais à des vitesses et 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 : S (vitesse) et T (couple). Tous les autres termes sont constants : 2, π et 33 000. La puissance ne varie qu'avec les changements de vitesse et de couple. On peut réécrire l'équation pour montrer cette relation :

Comme l'unité « cheval-vapeur » ne coïncide pas exactement avec la vitesse en RPM multipliée par le couple en lb-ft, on ne peut pas dire que la puissance équivaut à ST. Cependant, elles sont proportionnelles : quand le produit ST change, la puissance change dans la même proportion.

Puissance en fonction de la tension et du courant

Dans les circuits électriques, la puissance est fonction de la tension et du courant. Cette relation ressemble fortement à la formule « proportionnelle » de la puissance mécanique :

Ici, cependant, la puissance (P) est exactement égale au courant (I) multiplié par la tension (E), et non simplement proportionnelle. L'unité de mesure est le watt, abrégé « W ».

Il faut comprendre que ni la tension ni le courant seuls ne constituent la puissance. La puissance est la combinaison des deux. La tension est le travail spécifique (énergie potentielle) par unité de charge, tandis que le courant est le taux de déplacement des charges.

La tension (travail spécifique) est analogue au travail de lever un poids. Le courant (taux) est analogue à la vitesse de levage. Ensemble, comme produit (multiplication), tension et courant constituent la puissance.

Tout comme pour le tracteur diesel et la moto, un circuit à haute tension et faible courant peut dissiper la même puissance qu'un circuit à basse tension et fort courant. Ni la tension seule ni le courant seul n'indiquent la puissance.

Puissance dans un circuit ouvert / court-circuité

Dans un circuit ouvert, où la tension est présente entre les bornes mais le courant est nul, la puissance dissipée est zéro, quelle que soit la tension. Puisque P = I×E et I = 0, tout multiplié par zéro donne zéro.

De même, dans un court-circuit avec un fil supraconducteur (résistance nulle), on peut avoir du courant avec tension nulle, et donc aucune puissance dissipée. Puisque E = 0, P = 0.

Relation entre cheval-vapeur et watts

Qu'on mesure en « cheval-vapeur » ou en « watts », on parle de la même chose : travail par unité de temps. Les unités ne sont pas numériquement égales mais décrivent la même grandeur physique.

Les constructeurs automobiles européens expriment souvent la puissance en kilowatts (kW). La conversion est simple :

Nos moteurs de 100 ch équivalent à 74 570 watts, soit 74,57 kW. En Europe, cette notation est la norme.

Récapitulatif

• La puissance mesure le travail effectué par unité de temps.
• La puissance mécanique se mesure couramment en « cheval-vapeur » (Amérique).
• La puissance électrique se mesure presque toujours en « watts », calculée par P = I×E.
• La puissance électrique est le produit de la tension et du courant, pas l'un ou l'autre séparément.
• Cheval-vapeur et watts sont deux unités pour la même grandeur : 1 ch = 745,7 W.

Fiches d'exercices associées

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