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 : Les sources d'énergie électrique, L'alternateur : principe et fonctionnement, La tension alternative sinusoïdale, Valeur maximale et valeur efficace. 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.
Au programme
1 · Les sources d'énergie électrique
2 · L'alternateur : principe et fonctionnement
3 · La tension alternative sinusoïdale
4 · Valeur maximale et valeur efficace
5 · Le réseau électrique français
6 · Transport à haute tension et pertes par effet Joule
7 · Les transformateurs
1Les sources d'énergie électrique
L'électricité ne se trouve pas naturellement sous forme utilisable : elle doit être produite à partir d'autres formes d'énergie. On distingue plusieurs types de sources :
- Sources non renouvelables : centrales thermiques (charbon, gaz, fioul), centrales nucléaires. Ces centrales brûlent un combustible (ou utilisent la fission nucléaire) pour produire de la vapeur qui entraîne une turbine.
- Sources renouvelables : centrales hydroélectriques (eau en mouvement), éoliennes (vent), panneaux photovoltaïques (Soleil), géothermie (chaleur de la Terre), centrales marémotrice (marées).
Définition. Un générateur est un dipôle qui fournit de l'énergie électrique à un circuit. Dans les centrales, le générateur principal est l'alternateur.
En France, la production électrique est dominée par le nucléaire (~70 %), suivi de l'hydraulique (~13 %) et d'une part croissante d'énergies renouvelables (éolien, solaire).
2L'alternateur : principe et fonctionnement
L'alternateur est le générateur utilisé dans la quasi-totalité des centrales électriques. Il convertit l'énergie mécanique de rotation en énergie électrique.
Principe. Un alternateur est basé sur le phénomène d'induction électromagnétique : quand un aimant tourne à l'intérieur d'une bobine (ou vice versa), il apparaît une tension aux bornes de la bobine.
Un alternateur comporte :
- Un rotor : partie mobile (généralement l'aimant ou l'électroaimant) qui tourne grâce à la turbine.
- Un stator : partie fixe (les bobines) dans laquelle apparaît la tension électrique.
La turbine est entraînée par :
- De la vapeur d'eau dans les centrales nucléaires, thermiques et géothermiques.
- De l'eau qui tombe dans les centrales hydroélectriques.
- Du vent dans les éoliennes.
Exemple. Dans une centrale nucléaire, la fission de l'uranium produit de la chaleur → la chaleur transforme l'eau en vapeur → la vapeur entraîne une turbine → la turbine fait tourner l'alternateur → l'alternateur produit du courant électrique.
Astuce. Retenez la chaîne de conversion : énergie primaire → énergie mécanique (turbine) → énergie électrique (alternateur).
3La tension alternative sinusoïdale
La tension produite par un alternateur est une tension alternative : elle change de sens (de signe) périodiquement.
Définition. Une tension alternative sinusoïdale est une tension qui varie selon une courbe sinusoïdale en fonction du temps. Elle prend des valeurs positives et négatives alternativement.
On la représente sur un graphique tension (U) en fonction du temps (t) : la courbe ressemble à une vague.
Caractéristiques d'une tension alternative sinusoïdale :
- Période T : durée d'un cycle complet, exprimée en secondes (s).
- Fréquence f : nombre de cycles par seconde, exprimée en hertz (Hz). Relation :
f = 1/T. - Valeur maximale Umax : valeur absolue la plus grande atteinte par la tension.
En France, la tension du secteur est sinusoïdale de fréquence f = 50 Hz, ce qui correspond à une période T = 20 ms = 0,02 s.
Attention ! Une tension continue garde le même signe (exemple : pile). Une tension alternative change de signe. Ne pas les confondre !
4Valeur maximale et valeur efficace
Pour caractériser une tension alternative, on utilise deux valeurs importantes :
Valeur maximale Umax : c'est la plus grande valeur (en valeur absolue) atteinte par la tension au cours d'un cycle. Elle se lit directement sur l'oscillogramme.
Valeur efficace Ueff : c'est la valeur d'une tension continue qui produirait le même effet thermique (même puissance dissipée) dans une résistance. C'est la valeur indiquée par les multimètres et les voltmètres en mode alternatif.
Pour une tension sinusoïdale, la relation est :
Formule : Ueff = Umax / √2 ≈ Umax / 1,41
ou encore : Umax = Ueff × √2 ≈ Ueff × 1,41
Exemple. La tension du secteur en France est de 230 V (valeur efficace). La valeur maximale est donc : Umax = 230 × 1,41 ≈ 325 V.
Attention ! La valeur efficace de 230 V est celle affichée sur les prises. La tension peut en réalité monter jusqu'à 325 V ! C'est pourquoi les appareils électriques sont dangereux.
| Grandeur | Symbole | Valeur pour le secteur (France) |
|---|
| Fréquence | f | 50 Hz |
| Période | T | 20 ms |
| Valeur efficace | Ueff | 230 V |
| Valeur maximale | Umax | ≈ 325 V |
5Le réseau électrique français
L'électricité produite dans les centrales doit être acheminée jusqu'aux consommateurs (particuliers, entreprises, hôpitaux…) parfois à des centaines de kilomètres. C'est le rôle du réseau électrique.
Le réseau électrique français est géré par RTE (Réseau de Transport d'Électricité). Il comprend :
- Des lignes à très haute tension (THT : 400 000 V ou 225 000 V) pour le transport longue distance.
- Des lignes à haute tension (HT : 90 000 V ou 63 000 V) pour la distribution régionale.
- Des lignes à moyenne tension (HTA : 20 000 V) pour la distribution locale.
- Des lignes à basse tension (BT : 230/400 V) pour alimenter les foyers.
Astuce mnémotechnique. La tension diminue au fur et à mesure qu'on s'approche du consommateur : THT → HT → HTA → BT (230 V chez vous).
Exemple. Une centrale nucléaire produit une tension d'environ 20 000 V. Un transformateur élève cette tension à 400 000 V pour le transport. Plusieurs transformateurs abaissent ensuite la tension jusqu'aux 230 V de vos prises.
6Transport à haute tension et pertes par effet Joule
Pourquoi transporter l'électricité à très haute tension ? Pour comprendre, il faut rappeler l'effet Joule : lorsque le courant traverse un conducteur, il dissipe de l'énergie sous forme de chaleur.
Puissance perdue par effet Joule dans un conducteur de résistance R parcouru par un courant I :
Pperdue = R × I²
(exprimée en watts, R en ohms, I en ampères)
Or, la puissance électrique transportée est : P = U × I. Pour transporter la même puissance P :
- Si U est grand, alors I est petit (I = P/U).
- Si I est petit, les pertes
Pperdue = R × I² sont très faibles.
Conclusion. On transporte l'électricité à haute tension (et donc faible intensité) pour minimiser les pertes par effet Joule dans les câbles.
Exemple numérique. Si on multiplie la tension par 10, l'intensité est divisée par 10, et les pertes Joule (proportionnelles à I²) sont divisées par 100 !
Attention ! Les lignes à très haute tension sont extrêmement dangereuses. Ne jamais s'en approcher. La mort peut survenir par électrocution sans contact direct (l'arc électrique peut se former à plusieurs mètres).
7Les transformateurs
Les transformateurs sont les dispositifs qui permettent de modifier la valeur de la tension alternative. Ils sont indispensables au réseau électrique.
Définition. Un transformateur est un dispositif qui élève ou abaisse la tension d'un courant alternatif. Il ne fonctionne qu'avec du courant alternatif (pas avec du courant continu).
Un transformateur comporte :
- Un circuit magnétique (noyau de fer).
- Un enroulement primaire (côté entrée) de n1 spires, soumis à la tension U1.
- Un enroulement secondaire (côté sortie) de n2 spires, délivrant la tension U2.
Relation de transformation :
U1 / U2 = n1 / n2
ou encore : U2 = U1 × (n2 / n1)
- Si n2 > n1 : transformateur élévateur (U2 > U1) — utilisé en sortie de centrale.
- Si n2 < n1 : transformateur abaisseur (U2 < U1) — utilisé près des consommateurs.
Exemple. Un transformateur a n1 = 500 spires et n2 = 10 000 spires. Si U1 = 20 000 V, alors U2 = 20 000 × (10 000/500) = 400 000 V. C'est un transformateur élévateur.
Astuce. Un transformateur idéal conserve la puissance : P1 = P2, donc U1 × I1 = U2 × I2. Si la tension augmente, l'intensité diminue proportionnellement.
★À retenir
En bref :
• Un alternateur convertit l'énergie mécanique en énergie électrique par induction électromagnétique.
• La tension produite est alternative sinusoïdale : f = 50 Hz en France (T = 20 ms).
• Ueff = Umax / √2 ; le secteur français est à 230 V efficace (≈ 325 V max).
• On transporte l'électricité à haute tension pour réduire les pertes Joule (P = R × I²).
• Les transformateurs modifient la tension alternative : U1/U2 = n1/n2.