À propos de cette page
Ce cours de physique en troisième sur « Puissance et énergie électrique » 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 : Rappels : tension, intensité et résistance, La puissance électrique : P = U × I, Puissance et loi d'Ohm : P = R × I², L'énergie électrique : E = P × t. 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 · Rappels : tension, intensité et résistance
2 · La puissance électrique : P = U × I
3 · Puissance et loi d'Ohm : P = R × I²
4 · L'énergie électrique : E = P × t
5 · Effet Joule : énergie dissipée par un conducteur
6 · Conversions d'énergie dans un circuit
7 · Rendement d'un convertisseur
8 · Coût de l'électricité et économies d'énergie
1Rappels : tension, intensité et résistance
Avant d'aborder la puissance et l'énergie, rappelons les trois grandeurs fondamentales des circuits électriques :
| Grandeur | Symbole | Unité | Instrument de mesure |
|---|
| Tension | U | Volt (V) | Voltmètre (en dérivation) |
| Intensité | I | Ampère (A) | Ampèremètre (en série) |
| Résistance | R | Ohm (Ω) | Ohmmètre |
Loi d'Ohm. Pour un résistor : U = R × I, où U est la tension aux bornes du résistor (V), R sa résistance (Ω) et I l'intensité qui le traverse (A).
Ces trois grandeurs sont intimement liées. Maîtriser leurs relations est indispensable pour comprendre comment l'énergie est échangée dans un circuit électrique.
2La puissance électrique : P = U × I
Définition. La puissance électrique P reçue (ou fournie) par un dipôle est le produit de la tension U à ses bornes par l'intensité I qui le traverse :
P = U × I
Unité : le watt (W). 1 W = 1 V × 1 A.
La puissance indique l'énergie échangée par seconde. Un appareil de 100 W consomme 100 joules d'énergie électrique chaque seconde.
Exemple. Une lampe alimentée sous U = 230 V est parcourue par un courant I = 0,5 A.
Sa puissance : P = 230 × 0,5 = 115 W.
Attention ! La puissance indiquée sur un appareil (ex. : « 60 W ») est la puissance nominale, valable uniquement sous la tension nominale (230 V en France).
| Appareil typique | Puissance nominale |
|---|
| Ampoule LED | 8 – 15 W |
| Ampoule incandescente | 60 – 100 W |
| Grille-pain | 800 – 1200 W |
| Four électrique | 2000 – 3000 W |
| Micro-ondes | 700 – 1000 W |
3Puissance et loi d'Ohm : P = R × I²
En combinant la formule de la puissance P = U × I avec la loi d'Ohm U = R × I, on obtient une expression de la puissance en fonction de la résistance et de l'intensité :
Formule dérivée.
P = R × I²
Cette formule est particulièrement utile pour les résistors (et la puissance dissipée par effet Joule).
On peut également écrire : P = U² / R
Exemple. Un résistor de résistance R = 10 Ω est parcouru par un courant I = 2 A.
Puissance dissipée : P = 10 × 2² = 10 × 4 = 40 W.
Vérification avec la loi d'Ohm : U = R × I = 10 × 2 = 20 V, puis P = U × I = 20 × 2 = 40 W. ✓
Astuce. Pour retrouver toutes les formules, partez toujours de P = U × I et de U = R × I. Par substitution, on obtient P = R × I² ou P = U²/R.
4L'énergie électrique : E = P × t
Définition. L'énergie électrique E reçue (ou fournie) par un dipôle pendant une durée t est :
E = P × t
Avec P en watts (W) et t en secondes (s), E est en joules (J).
En pratique, pour les appareils domestiques, on utilise souvent une unité plus grande :
Kilowattheure (kWh). 1 kWh est l'énergie consommée par un appareil de 1 kW pendant 1 heure.
1 kWh = 1000 W × 3600 s = 3 600 000 J = 3,6 × 10⁶ J
Exemple. Un sèche-cheveux de puissance P = 1500 W fonctionne pendant t = 10 min = 600 s.
Énergie consommée : E = 1500 × 600 = 900 000 J = 900 kJ.
En kWh : E = 1,5 kW × (10/60) h ≈ 0,25 kWh.
Attention aux unités ! Dans E = P × t, si P est en W et t en secondes, E est en joules. Si P est en kW et t en heures, E est en kWh. Ne mélangez pas les unités !
5Effet Joule : énergie dissipée par un conducteur
Lorsqu'un courant électrique traverse un conducteur (résistor, fil, filament…), ce conducteur s'échauffe. Ce phénomène est appelé effet Joule, du nom du physicien James Prescott Joule (1818–1889).
Effet Joule. Un conducteur de résistance R traversé par un courant d'intensité I dissipe par échauffement une puissance :
PJoule = R × I²
L'énergie dissipée pendant la durée t est : Q = R × I² × t (en joules).
L'effet Joule est exploité dans :
- les ampoules à filament (le filament de tungstène chauffe jusqu'à émettre de la lumière)
- les grille-pain, fours électriques, radiateurs électriques
- les fusibles (le fil fond au-delà d'une certaine intensité)
Attention ! Dans de nombreux appareils, l'effet Joule est subi (perte d'énergie sous forme de chaleur inutile) et non voulu. C'est pourquoi les fils électriques ont une résistance la plus faible possible.
Exemple. Un grille-pain de résistance R = 21 Ω sous U = 230 V.
Intensité : I = U/R = 230/21 ≈ 11 A.
Puissance Joule : P = R × I² = 21 × 121 ≈ 2541 W ≈ 2,5 kW.
6Conversions d'énergie dans un circuit
Un circuit électrique contient différents dipôles, chacun convertissant l'énergie électrique en une autre forme :
| Dipôle (convertisseur) | Énergie reçue | Énergie fournie |
|---|
| Résistor (effet Joule) | Électrique | Thermique (chaleur) |
| Lampe incandescente | Électrique | Lumineuse + Thermique |
| Moteur électrique | Électrique | Mécanique + Thermique |
| Pile / Accumulateur | Chimique | Électrique |
| Panneau photovoltaïque | Lumineuse | Électrique |
Principe de conservation de l'énergie. L'énergie totale fournie par le générateur est égale à la somme des énergies reçues par tous les récepteurs du circuit :
Efournie = Eutile + Epertes
Astuce. Les pertes sont dues principalement à l'effet Joule dans les fils et les composants. On les minimise en utilisant des conducteurs à faible résistance.
7Rendement d'un convertisseur
Définition. Le rendement η (êta) d'un convertisseur d'énergie est le rapport entre l'énergie (ou la puissance) utile fournie et l'énergie (ou la puissance) totale reçue :
η = Eutile / Etotale = Putile / Ptotale
η est un nombre sans unité, compris entre 0 et 1 (ou entre 0 % et 100 %).
Un rendement de 1 (100 %) signifierait que toute l'énergie reçue est convertie en énergie utile, sans aucune perte. En pratique, le rendement est toujours inférieur à 1.
| Convertisseur | Rendement typique |
|---|
| Ampoule LED | 80 – 90 % |
| Ampoule incandescente | 5 – 10 % |
| Moteur électrique | 85 – 95 % |
| Panneau photovoltaïque | 15 – 22 % |
| Centrale thermique | 35 – 45 % |
Exemple. Un moteur électrique reçoit une puissance Ptotale = 500 W et fournit une puissance mécanique Putile = 420 W.
Rendement : η = 420 / 500 = 0,84 = 84 %.
Puissance dissipée par effet Joule : PJoule = 500 − 420 = 80 W.
Attention ! Pour exprimer η en pourcentage, multipliez par 100. Ne confondez pas η = 0,84 (valeur numérique) et η = 84 % (pourcentage).
8Coût de l'électricité et économies d'énergie
Le coût de l'électricité consommée est calculé à partir de l'énergie consommée exprimée en kilowattheures (kWh) :
Calcul du coût.
Coût = E (en kWh) × prix du kWh (en €/kWh)
En France, le prix du kWh (tarif réglementé) est environ 0,25 €/kWh (2024).
Exemple. Un réfrigérateur de puissance P = 150 W fonctionne en moyenne 8 h par jour.
Énergie journalière : E = 0,15 kW × 8 h = 1,2 kWh/jour.
Coût journalier : 1,2 × 0,25 = 0,30 €/jour.
Coût annuel : 0,30 × 365 ≈ 109,50 €/an.
Pour réduire sa consommation d'électricité :
- Choisir des appareils à haut rendement (classe énergétique A)
- Éteindre les appareils en veille
- Remplacer les ampoules incandescentes par des LED
- Bien isoler son logement (réduire le chauffage électrique)
Astuce. L'étiquette énergie (de A+++ à D) renseigne sur la consommation annuelle d'un appareil électroménager. Un appareil classe A consomme jusqu'à 4 fois moins qu'un appareil classe D.
★À retenir
À retenir :
• Puissance électrique : P = U × I (en watts, W)
• Pour un résistor : P = R × I² ou P = U²/R
• Énergie électrique : E = P × t (en joules si t en secondes ; en kWh si P en kW et t en heures)
• Conversion : 1 kWh = 3,6 × 10⁶ J
• Effet Joule : échauffement d'un conducteur ; PJoule = R × I²
• Rendement : η = Putile / Ptotale (sans unité, entre 0 et 1)
• Conservation de l'énergie : Efournie = Eutile + Epertes