Comment est produite l'électricité dans une centrale ?

Dans la plupart des centrales électriques, un alternateur transforme l'énergie mécanique (rotation d'une turbine) en énergie électrique. La turbine peut être entraînée par de la vapeur d'eau (nucléaire, thermique, géothermique) ou directement par l'eau (hydraulique) ou le vent (éolienne).

Pourquoi transporte-t-on l'électricité à haute tension ?

On transporte l'électricité à très haute tension (jusqu'à 400 000 V) pour minimiser les pertes d'énergie par effet Joule dans les câbles. Les transformateurs permettent d'élever puis d'abaisser la tension selon les besoins.

Qu'est-ce qu'une tension alternative ?

Une tension alternative est une tension qui change de sens périodiquement. En France, la tension du secteur est sinusoïdale, de fréquence 50 Hz et de valeur efficace 230 V.

Quelle est la différence entre valeur maximale et valeur efficace ?

La valeur maximale (U_max) est la plus grande valeur atteinte par la tension. La valeur efficace (U_eff ou U_rms) est la valeur qui produit le même effet thermique qu'une tension continue. Pour une tension sinusoïdale : U_eff = U_max / √2 ≈ U_max / 1,41.

Collège · 3ᵉ · Physique

Production et transport de l'électricité

Générateurs, alternateurs, tensions alternatives, transport haute tension

À propos de cette page

Ce cours de physique en troisième sur « Production et transport de l'électricité » suit le programme officiel de physique de troisième. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : L'alternateur : de la rotation à l'électricité, Les centrales : une turbine, un alternateur, Tension continue, tension alternative : lire un oscillogramme, Le réseau : transformateurs et niveaux de tension. Chaque notion est expliquée pas à pas, puis mise en pratique grâce à des exercices interactifs, un QCM et une évaluation corrigée. Idéal pour réviser à son rythme, combler ses lacunes et progresser, en autonomie ou avec un professeur. Cours rédigé par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de troisième à réussir en physique.

L'alternateur : de la rotation à l'électricité

Sur un vélo, la dynamo frotte contre le pneu : quand la roue tourne, la lampe s'allume. À l'intérieur, un aimant tourne devant une bobine de fil de cuivre ; ce mouvement fait apparaître une tension aux bornes de la bobine. C'est le principe de l'alternateur, présent dans presque toutes les centrales.

Définition. Un alternateur est un convertisseur qui transforme de l'énergie mécanique (rotation) en énergie électrique. Il comporte une partie tournante, le rotor (aimant ou électroaimant), et une partie fixe, le stator (bobines). La tension produite est alternative : plus le rotor tourne vite, plus la fréquence et la tension sont grandes.

Exemple. Un alternateur de centrale nucléaire tourne à 1 500 tours par minute et délivre environ 20 000 V ; celui d'une éolienne tourne beaucoup plus lentement, un multiplicateur (boîte de vitesses) accélère la rotation avant l'alternateur.

Attention ! L'alternateur ne crée pas d'énergie : il faut toujours quelque chose qui le fasse tourner. Sans vent, l'éolienne ne produit rien.

Les centrales : une turbine, un alternateur

Ce qui change d'une centrale à l'autre, c'est ce qui fait tourner la turbine, pas l'alternateur.

Centrale	Ce qui fait tourner la turbine	Chaîne des formes d'énergie
thermique à flamme (gaz, charbon)	vapeur d'eau produite par la combustion	chimique → thermique → mécanique → électrique
nucléaire	vapeur d'eau produite par la fission de l'uranium	nucléaire → thermique → mécanique → électrique
hydraulique	l'eau d'un barrage qui tombe	potentielle → cinétique → mécanique → électrique
éolienne	le vent sur les pales	cinétique (air) → mécanique → électrique
photovoltaïque	pas de turbine ni d'alternateur	lumineuse → électrique (courant continu)

Exemple. Un barrage de 120 m de chute avec un débit de 40 m³/s (40 000 kg d'eau par seconde) libère chaque seconde une énergie de 40 000 × 9,8 × 120 ≈ 47 000 000 J : la puissance disponible est d'environ 47 MW ; avec un rendement de 90 %, l'alternateur fournit 42 MW.

Rappel. Toute centrale thermique doit évacuer les deux tiers de sa chaleur (tours de refroidissement, fleuve) : rendement 33 à 55 %. Un barrage convertit directement : rendement ≈ 90 %.

Tension continue, tension alternative : lire un oscillogramme

Définitions. Une pile ou une batterie fournit une tension continue : toujours le même signe et la même valeur (droite horizontale à l'oscilloscope). Un alternateur fournit une tension alternative : elle change de signe périodiquement. Si sa courbe est une sinusoïde, on parle de tension alternative sinusoïdale, caractérisée par sa période T (s), sa fréquence f = 1/T (Hz) et sa valeur maximale U_max (V).

Secteur français	Valeur
fréquence	50 Hz (50 allers-retours par seconde)
période	T = 1 / 50 = 0,02 s = 20 ms
valeur maximale	≈ 325 V
valeur efficace	230 V : c'est ce qu'indique un voltmètre en mode alternatif ; une tension continue de 230 V chaufferait autant un radiateur

Méthode. Sur l'oscillogramme, mesurer la durée de plusieurs périodes puis diviser ; convertir en s avant f = 1/T. U_max se lit sur la hauteur d'une crête. Repère : U_eff ≈ U_max / 1,41.

Le réseau : transformateurs et niveaux de tension

Les centrales sont loin des villes. L'électricité est acheminée par un réseau de lignes, où la tension change plusieurs fois grâce aux transformateurs.

Transformateur. Appareil qui élève ou abaisse la valeur d'une tension alternative (deux bobines autour d'un noyau de fer). Il ne fonctionne pas avec une tension continue. Un transformateur idéal conserve la puissance : U₁ × I₁ = U₂ × I₂ ; si la tension est multipliée par 20, l'intensité est divisée par 20. Le rapport des tensions est celui des nombres de spires : U₂ / U₁ = n₂ / n₁.

Étape	Tension	Rôle
sortie d'alternateur	≈ 20 kV	production
transformateur élévateur → lignes THT	400 kV ou 225 kV	transport sur des centaines de km
transformateurs abaisseurs → lignes HTA	63 kV puis 20 kV	répartition régionale, industries
transformateur de quartier	230 V (400 V entre phases)	distribution aux logements

Exemple. Un transformateur de quartier reçoit 20 000 V et délivre 230 V : rapport 230 / 20 000 = 0,0115. S'il alimente 250 kW, l'intensité vaut 12,5 A côté 20 kV mais 1 087 A côté 230 V : d'où les gros câbles de sortie.

Pourquoi la haute tension : les pertes par effet Joule

Raisonnement. Une ligne de résistance R parcourue par une intensité I dissipe P_pertes = R × I² par effet Joule. Pour transporter une puissance P = U × I donnée, plus la tension U est élevée, plus l'intensité I est faible, et les pertes, proportionnelles à I², s'effondrent : U × 20 → I ÷ 20 → pertes ÷ 400.

Exemple. Ligne de 4 Ω transportant 100 MW. À 20 kV : I = 100 × 10⁶ / 20 000 = 5 000 A, pertes = 4 × 5 000² = 100 MW : tout est perdu ! À 400 kV : I = 250 A, pertes = 4 × 250² = 250 000 W = 0,25 MW, soit 0,25 %.

Attention ! On ne monte pas indéfiniment : au-delà de quelques centaines de kV, l'isolation des lignes et les arcs électriques deviennent ingérables. Et la haute tension est mortelle : ne jamais s'approcher d'une ligne tombée au sol.

Un réseau à l'équilibre

L'électricité ne se stocke pas dans les câbles : à chaque instant, la production doit égaler la consommation. C'est le rôle du gestionnaire du réseau de transport (RTE en France).

Situation	Conséquence	Réponse
consommation > production	la fréquence descend sous 50 Hz	turbiner l'eau des STEP, démarrer des centrales à gaz, importer
production > consommation	la fréquence monte au-dessus de 50 Hz	pomper l'eau vers les réservoirs (STEP), exporter, réduire la production

Exemple. Un soir d'hiver à 19 h, la France consomme jusqu'à 83 GW (chauffage, éclairage, cuisine), contre 55 GW à 4 h du matin. Le réseau est interconnecté avec les pays voisins pour lisser ces écarts.

Le photovoltaïque et le réseau. Un panneau produit du courant continu ; un onduleur le convertit en alternatif 50 Hz avant injection sur le réseau.

En bref

L'alternateur (rotor aimanté + stator bobiné) convertit l'énergie mécanique en énergie électrique alternative. Une turbine le fait tourner : vapeur, eau ou vent. Le photovoltaïque n'en a pas.
Pile : tension continue ; alternateur : tension alternative sinusoïdale (T, f = 1/T, U max). Secteur : 50 Hz, 20 ms, U max ≈ 325 V, valeur efficace 230 V.
Le transformateur élève ou abaisse une tension alternative ; U × I conservé.
Transport à haute tension (400 kV) : I faible, pertes Joule R × I² minimes.
Production = consommation à chaque instant ; la fréquence 50 Hz en est le témoin.

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