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Physique · Classe de 3ᵉ

Production et transport de l'électricité

Générateurs, alternateurs, tensions alternatives, transport haute tension

À propos de cette page
Cette évaluation sur « Production et transport de l'électricité » en troisième permet de faire le point sur ses connaissances en physique, comme lors d'un véritable contrôle. Elle suit le programme officiel de troisième et propose plusieurs exercices notés sur 20, avec un corrigé détaillé. Au programme : Les sources d'énergie électrique, L'alternateur : principe et fonctionnement, La tension alternative sinusoïdale, Valeur maximale et valeur efficace. Travaille seul, chronomètre-toi, puis compare tes réponses au corrigé pour identifier les points à revoir. Parfait pour mesurer ses progrès et réviser efficacement. Évaluation gratuite conçue par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de troisième en physique.
Évaluation finale · Niveau difficile · Durée 60 min · Noté sur 20
60:00

Évaluation complète de fin de chapitre, tout en niveau difficile. Travaille seul et sans aide, puis vérifie tes réponses avec le corrigé détaillé dépliable en bas de page.

Exercice 1 — L'alternateur et la production d'électricité

/ 4 pts
  1. Donnez la définition d'un alternateur et nommez ses deux parties principales.
  2. Dans une centrale éolienne, décrivez la chaîne de conversion d'énergie depuis l'énergie du vent jusqu'à l'énergie électrique.
  3. Citez deux sources d'énergie non renouvelables et deux sources renouvelables utilisées pour produire de l'électricité en France.
  4. Pourquoi dit-on que l'alternateur fonctionne par induction électromagnétique ?

Exercice 2 — Tension alternative sinusoïdale

/ 4 pts
  1. Un oscilloscope affiche une tension sinusoïdale. On mesure Umax = 56,4 V et T = 4 ms.
    a) Calculez la fréquence f de cette tension.
    b) Calculez la valeur efficace Ueff (arrondir à l'unité).
  2. La tension du secteur en France a une valeur efficace de 230 V.
    a) Calculez sa valeur maximale.
    b) Donnez sa période.
  3. Expliquez la différence entre la valeur maximale et la valeur efficace d'une tension alternative. Quelle valeur est mesurée par un voltmètre branché sur le secteur ?
  4. Un technicien mesure la tension aux bornes d'un chargeur de téléphone avec un voltmètre AC : il lit 9 V. Quelle est la valeur maximale de cette tension (arrondir à la dixième) ?

Exercice 3 — Réseau et transformateurs

/ 5 pts
  1. Décrivez les grandes étapes de l'acheminement de l'électricité depuis la centrale jusqu'aux foyers (niveaux de tension successifs).
  2. Un transformateur possède n1 = 2 000 spires au primaire (U1 = 20 000 V) et n2 = 40 000 spires au secondaire.
    a) Calculez U2.
    b) S'agit-il d'un transformateur élévateur ou abaisseur ? Justifiez.
  3. Pour le transformateur précédent, l'intensité au primaire est I1 = 250 A. En supposant le transformateur idéal, calculez l'intensité I2 au secondaire.
  4. Donnez la formule liant U1, U2, n1 et n2 dans un transformateur, et expliquez chaque symbole.
  5. Quel rôle jouent les transformateurs abaisseurs situés dans les quartiers résidentiels ?

Exercice 4 — Pertes par effet Joule dans les lignes

/ 5 pts
  1. Rappelez la formule donnant la puissance dissipée par effet Joule dans un conducteur de résistance R parcouru par un courant d'intensité I.
  2. Une ligne de transport a une résistance totale R = 5 Ω. Elle transporte une puissance de 200 MW.
    a) Cas A : tension UA = 20 000 V. Calculez l'intensité IA, puis la puissance perdue PA.
    b) Cas B : tension UB = 400 000 V. Calculez l'intensité IB, puis la puissance perdue PB.
  3. Comparez PA et PB. Que pouvez-vous conclure sur l'intérêt du transport à haute tension ?
  4. Exprimez les pertes du cas B en pourcentage de la puissance transportée. Ce résultat vous semble-t-il acceptable ?

Exercice 5 — Analyse d'un document

/ 2 pts
  1. En France, les lignes à très haute tension (THT) fonctionnent à 400 000 V ou 225 000 V, les lignes à haute tension A (HTA) à 20 000 V, et la basse tension (BT) à 230 V.
    Expliquez pourquoi plusieurs niveaux de tension sont nécessaires dans le réseau électrique plutôt qu'un seul niveau unique.
  2. Un journaliste écrit : « La tension chez vous est de 230 V, donc vous ne risquez rien car la tension maximale n'est que de 230 V. » Corrigez l'erreur de cet article en montrant le calcul.
✓Corrigé détaillé

Exercice 1 — L'alternateur et la production d'électricité
1. Définition et parties principales (1 pt)
Un alternateur est un générateur qui convertit l'énergie mécanique (rotation) en énergie électrique par le phénomène d'induction électromagnétique.
Ses deux parties principales sont :

  • Le rotor : partie mobile (aimant ou électroaimant) entraîné par la turbine.
  • Le stator : partie fixe (bobines) dans laquelle apparaît la tension électrique.
2. Chaîne de conversion dans une centrale éolienne (1 pt)
  • Énergie cinétique du vent → rotation des pales → énergie mécanique (turbine) → énergie électrique (alternateur).
En résumé : vent → turbine → alternateur → électricité.

3. Sources d'énergie (1 pt)
  • Non renouvelables (au choix 2) : charbon, gaz naturel, fioul, uranium (nucléaire).
  • Renouvelables (au choix 2) : énergie hydraulique (barrages), énergie éolienne, énergie solaire photovoltaïque, géothermie, énergie marémotrice.
4. Induction électromagnétique (1 pt)
Quand le rotor (aimant) tourne à l'intérieur du stator (bobines), le champ magnétique variable crée une tension électrique aux bornes des bobines. Ce phénomène — production d'une tension électrique par un champ magnétique variable — s'appelle induction électromagnétique. Il n'y a pas de contact mécanique direct entre le rotor et le circuit électrique.

Exercice 2 — Tension alternative sinusoïdale
1. Calculs à partir de l'oscilloscope (1,5 pt)
Données : Umax = 56,4 V ; T = 4 ms = 0,004 s.

  • a) Fréquence :
    f = 1/T = 1/0,004 = 250 Hz
  • b) Valeur efficace :
    Ueff = Umax / √2 = 56,4 / 1,41 ≈ 40 V
2. Tension du secteur français (1,5 pt)
Donnée : Ueff = 230 V ; f = 50 Hz.
  • a) Valeur maximale :
    Umax = Ueff × √2 = 230 × 1,41 ≈ 325 V
  • b) Période :
    T = 1/f = 1/50 = 0,02 s = 20 ms
3. Différence valeur maximale / valeur efficace (0,5 pt)
  • La valeur maximale Umax est la plus grande valeur (en valeur absolue) atteinte par la tension au cours d'un cycle. Elle se lit sur l'oscilloscope.
  • La valeur efficace Ueff est la valeur d'une tension continue qui produirait le même effet thermique dans une résistance. C'est la valeur mesurée par un voltmètre en mode AC.
Un voltmètre branché sur le secteur mesure donc la valeur efficace (230 V).

4. Valeur maximale du chargeur (0,5 pt)
Ueff = 9 V
Umax = Ueff × √2 = 9 × 1,41 ≈ 12,7 V

Exercice 3 — Réseau et transformateurs
1. Étapes d'acheminement (1 pt)
L'électricité est transportée en plusieurs étapes, avec des niveaux de tension successifs :

  1. Production en centrale : environ 20 000 V (20 kV) par l'alternateur.
  2. Transformateur élévateur → transport longue distance à 400 000 V (ou 225 000 V) — réseau THT.
  3. Transformateur abaisseur → distribution régionale à 90 000 V ou 63 000 V — réseau HT.
  4. Transformateur abaisseur → distribution locale à 20 000 V — réseau HTA.
  5. Transformateur abaisseur → alimentation des foyers à 230 V — réseau BT.
2. Calcul du transformateur (1,5 pt)
Données : n1 = 2 000 spires, U1 = 20 000 V, n2 = 40 000 spires.
  • a) Calcul de U2 :
    U1/U2 = n1/n2 → U2 = U1 × n2/n1 = 20 000 × 40 000/2 000 = 20 000 × 20 = 400 000 V
  • b) Type de transformateur :
    U2 = 400 000 V > U1 = 20 000 V, donc c'est un transformateur élévateur. De plus, n2 > n1, ce qui confirme l'élévation de tension.
3. Intensité au secondaire (1 pt)
Données : I1 = 250 A, U1 = 20 000 V, U2 = 400 000 V.
Transformateur idéal : P1 = P2, donc U1 × I1 = U2 × I2
I2 = (U1 × I1) / U2 = (20 000 × 250) / 400 000 = 5 000 000 / 400 000 = 12,5 A
Quand la tension est multipliée par 20, l'intensité est divisée par 20.

4. Formule du transformateur (1 pt)
U1 / U2 = n1 / n2
  • U1 : tension au primaire (entrée du transformateur), en volts.
  • U2 : tension au secondaire (sortie du transformateur), en volts.
  • n1 : nombre de spires de l'enroulement primaire.
  • n2 : nombre de spires de l'enroulement secondaire.
5. Rôle des transformateurs abaisseurs de quartier (0,5 pt)
Les transformateurs abaisseurs situés dans les quartiers résidentiels abaissent la tension de 20 000 V (réseau HTA) à 230 V (basse tension), valeur utilisable sans danger par les appareils électroménagers et compatible avec les normes de sécurité des installations domestiques.

Exercice 4 — Pertes par effet Joule dans les lignes
1. Formule de l'effet Joule (0,5 pt)
Pperdue = R × I²
où R est la résistance de la ligne (en Ω) et I est l'intensité du courant (en A). Le résultat est en watts (W).

2. Comparaison des deux cas (3 pts)
Données : R = 5 Ω, P = 200 MW = 200 000 000 W.

Cas A — UA = 20 000 V :
• IA = P / UA = 200 000 000 / 20 000 = 10 000 A
• PA = R × IA² = 5 × (10 000)² = 5 × 100 000 000 = 500 000 000 W = 500 MW

Cas B — UB = 400 000 V :
• IB = P / UB = 200 000 000 / 400 000 = 500 A
• PB = R × IB² = 5 × (500)² = 5 × 250 000 = 1 250 000 W = 1,25 MW

3. Comparaison et conclusion (1 pt)
PA = 500 MW et PB = 1,25 MW.
Les pertes dans le cas B sont 400 fois plus faibles que dans le cas A (rapport : 500/1,25 = 400).
Conclusion : transporter l'électricité à haute tension (cas B, 400 000 V) réduit considérablement les pertes par effet Joule. En cas A, les pertes (500 MW) dépassent même la puissance transportée (200 MW), ce qui est absurde. Le transport à très haute tension est donc indispensable.

4. Pertes en pourcentage (0,5 pt)
% = (PB / P) × 100 = (1 250 000 / 200 000 000) × 100 = 0,625 %
Ce résultat est très acceptable : seul 0,625 % de la puissance est perdu dans la ligne, ce qui représente une perte très faible grâce au transport à haute tension.

Exercice 5 — Analyse d'un document
1. Pourquoi plusieurs niveaux de tension ? (1 pt)
Plusieurs niveaux de tension sont nécessaires car :

  • Pour le transport longue distance, une tension très élevée (400 000 V) minimise les pertes par effet Joule dans les câbles (P = R × I², I étant très faible à haute tension).
  • Pour la distribution locale, la haute tension doit être abaissée progressivement pour des raisons de sécurité et de compatibilité avec les appareils : les consommateurs ne peuvent pas être alimentés directement en 400 000 V.
  • Un seul niveau de tension unique constituerait un compromis impossible : soit trop élevé pour les particuliers (dangereux), soit trop faible pour le transport (pertes énormes).
La cascade de transformateurs permet d'optimiser chaque étape du réseau.

2. Correction de l'erreur du journaliste (1 pt)
Le journaliste confond la valeur efficace (230 V) et la valeur maximale de la tension.
La valeur efficace de 230 V est celle mesurée par un voltmètre, mais la tension réelle atteint des valeurs bien plus élevées :
Umax = Ueff × √2 = 230 × 1,41 ≈ 325 V
La tension peut donc atteindre environ 325 V à chaque instant correspondant au pic de la sinusoïde. C'est cette tension maximale qui est réellement présente dans les câbles et qui est dangereuse. La tension de 230 V est uniquement une valeur "équivalente" en termes d'effet thermique, pas la valeur instantanée maximale.

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