Bilan — E1 · La pile, le courant et le rendement

Qui porte la charge, et que mesure l'intensité ?

Dans un métal, les porteurs de charge sont les électrons ; dans une solution, ce sont les ions. L'intensité du courant mesure le débit de charges qui traversent une section du circuit :

$$I = \dfrac{Q}{\Delta t}$$

• I : intensité (en ampères A) ;
• Q : charge qui a traversé (en coulombs C) ;
• Δt : durée (en s) ;
• 1 A = 1 C.s⁻¹ ; charge d'un électron : e = 1,6 × 10⁻¹⁹ C.

Dans quel sens circule le courant ?

Le sens conventionnel du courant va du pôle positif vers le pôle négatif à l'extérieur du générateur : c'est l'OPPOSÉ du sens de circulation des électrons. Héritage historique, on fait avec.

Exemple : le démarreur de la batterie de janvier — 150 A pendant 2,0 s, soit 300 C… et près de 2 × 10²¹ électrons à chaque tentative de démarrage.

Comment modélise-t-on une pile réelle ?

Une pile réelle se comporte comme une source idéale de tension E, la force électromotrice, montée en série avec une petite résistance interne r cachée à l'intérieur. Sa caractéristique est une droite :

$$U = E - r \times I$$

• U : tension aux bornes (en V) ;
• E : force électromotrice (en V) ;
• r : résistance interne (en Ω) ;
• I : intensité débitée (en A).

Caractéristique U = f(I) d'une pile plate : les points de mesure s'alignent sur une droite descendante

Où lit-on E et r ?

E se lit à courant nul (la tension à vide) ; r se cache dans la pente de la droite, au signe près. En reliant les deux bornes par un simple fil, le courant grimpe à E / r : c'est le courant de court-circuit, celui qui grille les fusibles et chauffe les piles.

Exemple : la batterie de janvier — sa charge était intacte et son E presque normale, mais le froid avait gonflé r. Les phares (8 A) brillaient, le démarreur (150 A) calait : la chute r × I confisquait toute la tension. Diagnostic : frigorifiée, pas morte.

Quelle différence entre puissance et énergie ?

La puissance dit à quelle vitesse l'énergie s'écoule ; l'énergie, elle, fait la facture :

$$P = U \times I \qquad\text{puis}\qquad E = P \times \Delta t$$

• P : puissance (en watts W) ;
• E : énergie (en joules J) ;
• Δt : durée (en s) ;
• l'unité de la facture : 1 kWh = 3,6 × 10⁶ J.

Exemple : charger un smartphone coûte un demi-centime, une heure de chauffe-eau de TP coûte 0,4 centime… mais six veilles de 8 W oubliées toute l'année coûtent presque 90 €. Ce n'est jamais P tout seul qui fait mal : c'est P × Δt.

Qu'est-ce que l'effet Joule ?

Tout conducteur parcouru par un courant chauffe : c'est l'effet Joule (P = R × I², qui quadruple quand I double).

Comment définit-on le rendement ?

Un convertisseur avale une énergie, en restitue une partie utile, et le reste part presque toujours en chaleur. Le rendement mesure ce partage :

$$\eta = \dfrac{E_{\text{utile}}}{E_{\text{absorbée}}}$$

• η : rendement, sans unité, souvent exprimé en pourcents ;
• toujours inférieur à 100 % : l'énergie ne se crée pas.

Un convertisseur reçoit une puissance, en restitue une partie utile, et perd le reste en chaleur

Une « perte », est-ce de l'énergie détruite ?

Non. Une « perte » n'est pas de l'énergie détruite : c'est de l'énergie arrivée là où le cahier des charges ne la demandait pas. Le même effet Joule est une perte pour le moteur… et le produit vendu du chauffe-eau.

Exemple : au TP 5, le monte-charge plafonnait vers 8 % de rendement (moteur tiède, réducteur qui frotte) pendant que le chauffage de l'eau dépassait 85 %, avec le même phénomène physique. Et dans la vraie vie, des data centers revendent leur « chaleur fatale » pour chauffer des piscines.