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 ; un électron porte la charge −e, avec e = 1,6 × 10⁻¹⁹ C.

Dans quel sens circule le courant ?

À l'extérieur du générateur, le sens conventionnel du courant va du pôle positif vers le pôle négatif. Les électrons circulent dans le sens opposé. C'est une convention ancienne, que l'on a gardée.

Exemple : avec la batterie de janvier, un courant de 150 A traverse le démarreur pendant 2,0 s. La charge qui passe vaut donc 300 C. Cela représente près de 2 × 10²¹ électrons à chaque tentative de démarrage.

Comment modélise-t-on une pile réelle ?

On modélise une pile réelle par une source idéale de tension E. Cette tension E s'appelle la force électromotrice. La source est en série avec une petite résistance interne r, cachée à l'intérieur de la pile. La caractéristique de la pile 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 ?

Tu lis E à courant nul. Cette tension s'appelle la tension à vide. La pente de la droite est négative et elle vaut −r. Si on relie les deux bornes par un simple fil, le courant monte jusqu'à E / r. Ce courant s'appelle le courant de court-circuit. Il grille les fusibles et il chauffe les piles.

Exemple : la batterie de janvier était encore chargée et sa tension à vide E était presque normale. Mais le froid avait augmenté sa résistance interne r. Les phares demandent seulement 8 A, donc ils brillaient. Le démarreur demande 150 A, donc la chute de tension r × I devenait très grande. Il ne restait presque plus de tension aux bornes, et le démarreur calait. Diagnostic : la batterie était trop froide, mais elle n'était pas hors d'usage.

Quelle différence entre puissance et énergie ?

La puissance indique à quelle vitesse un appareil reçoit ou fournit de l'énergie. Sur la facture d'électricité, tu paies l'énergie :

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

• 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.

Attention, la même lettre E note une énergie (en J) et une force électromotrice (en V), donc c'est l'unité qui te dit de quoi on parle.

Exemple : à 0,21 € le kWh, charger un smartphone coûte 0,4 centime. Une heure de chauffe-eau de TP coûte 0,3 centime. Mais imagine six appareils laissés en veille toute l'année, à 8 W chacun. Ils consomment 420 kWh, donc ils coûtent presque 90 €. Le prix dépend donc de l'énergie P × Δt, et pas seulement de la puissance P.

Qu'est-ce que l'effet Joule ?

Tout conducteur parcouru par un courant chauffe. Ce phénomène s'appelle l'effet Joule. La puissance dissipée en chaleur vaut P = R × I², donc elle est multipliée par 4 quand I double.

Comment définit-on le rendement ?

Un convertisseur absorbe de l'énergie. Il en restitue une partie sous forme utile, et le reste part presque toujours en chaleur. Le rendement indique quelle part de l'énergie absorbée est utile :

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

• η : rendement, sans unité, souvent exprimé en pourcents ;
• η est toujours inférieur à 100 %, car 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, l'énergie n'est jamais détruite. Une « perte » est de l'énergie que l'appareil fournit sous une forme qu'on ne lui demandait pas. La chaleur de l'effet Joule est une perte dans un moteur. Dans un chauffe-eau, cette même chaleur est le produit recherché.

Exemple : au TP 5, le rendement du monte-charge ne dépassait pas 8 % environ, car le moteur chauffait et le réducteur frottait. Le chauffage de l'eau, lui, dépassait 85 %. Pourtant, le même effet Joule est présent dans les deux appareils. Dans la vraie vie, des data centers revendent leur « chaleur fatale » pour chauffer des piscines.