Technologie 3ᵉ
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La chaîne d'énergie
Alimenter, distribuer, convertir, transmettre, sources et formes d'énergie, convertisseurs (moteur, résistance, LED…), rendement, puissance et énergie consommée, schéma de la chaîne d'énergie d'un système
À propos de cette page
Ce cours de technologie en troisième sur « La chaîne d'énergie » suit le programme officiel de technologie de troisième. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : La chaîne d'énergie : quatre fonctions, Sources et formes d'énergie, Alimenter : fournir et stocker l'énergie, Distribuer : autoriser ou doser l'énergie. 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 technologie.
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La chaîne d'énergie : quatre fonctions
Une trottinette avance, un radiateur chauffe, un portail s'ouvre : tout système qui agit a besoin d'énergie. Le chemin suivi par cette énergie, depuis l'entrée du système jusqu'à l'action, s'appelle la chaîne d'énergie.
Définition. La chaîne d'énergie est l'ensemble des composants qui alimentent, distribuent, convertissent et transmettent l'énergie pour réaliser l'action attendue sur l'objet (le déplacer, le chauffer, l'éclairer…).
| Fonction | Question à se poser | Composants typiques |
|---|---|---|
| Alimenter | D'où vient l'énergie ? | secteur et bloc d'alimentation, pile, batterie, panneau photovoltaïque |
| Distribuer | Qui laisse passer, coupe ou dose l'énergie ? | interrupteur, relais, variateur, carte de commande de moteur |
| Convertir | Qui change la forme de l'énergie ? | moteur, résistance chauffante, LED, haut-parleur, vérin |
| Transmettre | Qui amène le mouvement jusqu'à l'objet ? | engrenages, poulies et courroie, pignon et chaîne, pignon et crémaillère |
Lien avec la chaîne d'information. La chaîne d'information décide (elle est étudiée dans le chapitre suivant) ; la chaîne d'énergie agit. Les ordres qu'elle envoie arrivent sur la fonction Distribuer.
Attention ! La fonction Transmettre n'existe pas toujours : dans une lampe de poche, la LED produit directement l'effet voulu, la lumière. Elle n'apparaît que lorsqu'un mouvement doit être amené jusqu'à l'objet.
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Sources et formes d'énergie
Source d'énergie. Ressource naturelle dont on tire l'énergie. Elle est renouvelable si elle se reconstitue à l'échelle d'une vie humaine : Soleil, vent, cours d'eau, biomasse (bois, déchets végétaux), géothermie. Elle est non renouvelable si son stock est limité et ne se reconstitue pas à notre échelle : pétrole, gaz naturel, charbon (formés en millions d'années), uranium.
| Forme d'énergie | Où la rencontre-t-on ? |
|---|---|
| électrique | courant qui circule dans un circuit |
| mécanique | objet en mouvement (énergie cinétique), objet en hauteur ou ressort comprimé (énergie potentielle) |
| thermique | chaleur d'un radiateur, d'un moteur qui chauffe |
| lumineuse (rayonnante) | lumière du Soleil, d'une lampe |
| chimique | pile, batterie, carburant, aliments |
| nucléaire | noyaux d'uranium dans le réacteur d'une centrale |
Attention ! Ne pas confondre source et forme. Le Soleil est une source ; la lumière qu'il envoie est une forme d'énergie. L'électricité n'est pas une source : c'est une forme d'énergie que l'on produit à partir d'une source (vent, uranium, gaz…).
Exemple. Dans une éolienne, la source est le vent : l'énergie cinétique de l'air devient énergie mécanique (rotation des pales), puis énergie électrique.
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Alimenter : fournir et stocker l'énergie
La fonction Alimenter fournit au système l'énergie dont il a besoin, sous une forme utilisable, le plus souvent électrique. Elle comprend parfois un stockage, qui rend le système autonome.
| Composant | Ce qu'il fait | Exemple |
|---|---|---|
| secteur et bloc d'alimentation | le réseau fournit 230 V alternatif ; l'adaptateur le transforme en basse tension continue (5 V, 12 V…) | box internet, chargeur |
| pile | convertit son énergie chimique en énergie électrique ; non rechargeable | télécommande |
| batterie (accumulateur) | stocke l'énergie sous forme chimique ; rechargeable | smartphone, trottinette |
| panneau photovoltaïque | convertit l'énergie lumineuse en énergie électrique ; souvent associé à une batterie | lampadaire solaire |
Capacité et énergie d'une batterie. La capacité Q s'exprime en ampères-heures (Ah) ou milliampères-heures (mAh). L'énergie stockée vaut E = U × Q (en Wh si U est en V et Q en Ah). L'autonomie se calcule par t = E / P.
Exemple. Batterie de smartphone : 3,85 V et 4 000 mAh, soit 4 Ah. E = 3,85 × 4 = 15,4 Wh. Si le téléphone consomme en moyenne 1,1 W, l'autonomie vaut 15,4 / 1,1 = 14 h.
Attention ! Une capacité (mAh) n'est pas une énergie : il faut la multiplier par la tension. Et on convertit toujours les mAh en Ah (÷ 1 000) avant de calculer.
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Distribuer : autoriser ou doser l'énergie
Définition. Distribuer, c'est laisser passer, couper ou doser l'énergie envoyée au convertisseur, sur ordre de l'utilisateur ou de la chaîne d'information.
| Composant | Fonctionnement | Exemple |
|---|---|---|
| interrupteur, bouton-poussoir | tout ou rien, commandé à la main | lampe de bureau |
| relais, contacteur | tout ou rien : un faible courant de commande ouvre ou ferme un circuit de puissance | pompe commandée par un programmateur |
| variateur | dose l'énergie : vitesse d'un moteur, luminosité d'une lampe | perceuse, éclairage d'un salon |
| carte de commande de moteur | dose l'énergie et choisit le sens de rotation du moteur | robot, maquette de portail |
Exemple. Robot tondeuse : quand le programme décide de reculer, la carte de commande inverse le sens du courant dans les moteurs des roues ; pour ralentir, elle réduit l'énergie qu'elle leur envoie.
À savoir. Une carte programmable ne délivre sur ses sorties que quelques dizaines de milliampères : elle ne peut pas alimenter directement un moteur. Elle commande un relais ou une carte de commande, qui laisse passer l'énergie de la batterie.
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Convertir : les convertisseurs
Définition. Un convertisseur transforme une forme d'énergie en une autre, utile à l'action. Dans la chaîne d'énergie, on l'appelle souvent actionneur.
| Convertisseur | Énergie reçue | Énergie utile | Pertes principales |
|---|---|---|---|
| moteur électrique | électrique | mécanique (rotation) | chaleur, bruit |
| vérin pneumatique | air comprimé | mécanique (translation) | fuites, frottements |
| résistance chauffante | électrique | thermique | presque aucune |
| LED | électrique | lumineuse | un peu de chaleur |
| lampe à incandescence | électrique | lumineuse | énormément de chaleur |
| haut-parleur | électrique | sonore | chaleur |
| panneau photovoltaïque | lumineuse | électrique | chaleur |
| dynamo, génératrice | mécanique | électrique | chaleur |
Attention ! Aucune conversion n'est parfaite : une partie de l'énergie est toujours « perdue », presque toujours sous forme de chaleur. Elle ne disparaît pas : elle n'est simplement pas utile à l'action.
Réversibilité. Un moteur électrique peut fonctionner à l'envers : entraîné mécaniquement, il devient génératrice. C'est ainsi qu'une voiture électrique recharge sa batterie en freinant.
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Transmettre : adapter le mouvement
Définition. Transmettre, c'est amener l'énergie mécanique du convertisseur jusqu'à l'objet, en adaptant la vitesse, l'effort ou le type de mouvement (rotation ou translation).
| Système | Mouvement | Particularité |
|---|---|---|
| engrenage (deux roues dentées) | rotation → rotation | le sens de rotation est inversé |
| poulies et courroie | rotation → rotation | même sens, axes éloignés (tambour de machine à laver) |
| pignon et chaîne | rotation → rotation | même sens, sans glissement (vélo) |
| roue et vis sans fin | rotation → rotation | axes perpendiculaires, très forte réduction, en général irréversible |
| pignon et crémaillère | rotation → translation | portail coulissant, perceuse à colonne |
| bielle et manivelle | rotation ↔ translation alternative | moteur de voiture, scie sauteuse |
Rapport de transmission. r = Nsortie / Nentrée (N : vitesses de rotation en tr/min).
Engrenage, pignon-chaîne : r = Zmenant / Zmené (Z : nombres de dents).
Poulies : r = Dmenante / Dmenée (D : diamètres).
Roue et vis sans fin : r = nombre de filets de la vis / Zroue.
r < 1 : réducteur (sortie plus lente, effort plus grand) ; r > 1 : multiplicateur.
Engrenage, pignon-chaîne : r = Zmenant / Zmené (Z : nombres de dents).
Poulies : r = Dmenante / Dmenée (D : diamètres).
Roue et vis sans fin : r = nombre de filets de la vis / Zroue.
r < 1 : réducteur (sortie plus lente, effort plus grand) ; r > 1 : multiplicateur.
Exemple. Un moteur tourne à 3 000 tr/min ; son pignon de 12 dents entraîne une roue de 48 dents. r = 12 / 48 = 0,25 ; la roue tourne à 3 000 × 0,25 = 750 tr/min, en sens inverse du moteur.
Attention ! Le rapport se calcule « menant sur mené », jamais l'inverse. Vérification de bon sens : si l'élément mené est plus grand, la sortie tourne moins vite.
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Puissance, énergie consommée et rendement
Formules.
Puissance électrique : P = U × I (P en watts W, U en volts V, I en ampères A).
Énergie consommée : E = P × t.
Rendement : η = Putile / Pabsorbée = Eutile / Eabsorbée, toujours inférieur à 1 (100 %).
Pertes : Ppertes = Pabsorbée − Putile.
Puissance électrique : P = U × I (P en watts W, U en volts V, I en ampères A).
Énergie consommée : E = P × t.
Rendement : η = Putile / Pabsorbée = Eutile / Eabsorbée, toujours inférieur à 1 (100 %).
Pertes : Ppertes = Pabsorbée − Putile.
| Puissance | Durée | Énergie obtenue |
|---|---|---|
| W | s | joules (J) |
| W | h | wattheures (Wh) ; 1 Wh = 3 600 J |
| kW | h | kilowattheures (kWh) ; 1 kWh = 1 000 Wh = 3 600 000 J |
Exemple 1. Un radiateur de 1 500 W chauffe pendant 3 h : E = 1,5 kW × 3 h = 4,5 kWh. À 0,20 € le kWh, cela coûte 4,5 × 0,20 = 0,90 €.
Exemple 2. Un petit moteur absorbe 40 W et fournit 26 W mécaniques : η = 26 / 40 = 0,65 = 65 % ; pertes = 40 − 26 = 14 W, dissipés en chaleur.
Rendement d'une chaîne. On multiplie les rendements des éléments successifs. Carte de commande 0,95, moteur 0,85, réducteur 0,90 : η = 0,95 × 0,85 × 0,90 ≈ 0,727, soit 72,7 %.
Attention ! Convertir avant de calculer : mA en A, minutes en heures (45 min = 0,75 h). Un rendement supérieur à 100 % signale toujours une erreur, souvent une inversion entre puissance utile et puissance absorbée.
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Méthode : schématiser la chaîne d'énergie d'un système
- Repérer l'action finale sur l'objet : que faut-il déplacer, chauffer, éclairer ?
- Trouver le composant qui produit cette action : c'est le convertisseur.
- Chercher ce qui relie le convertisseur à l'objet : c'est Transmettre (parfois absent).
- Chercher ce qui autorise ou dose l'énergie avant le convertisseur : c'est Distribuer.
- Remonter à l'origine de l'énergie : c'est Alimenter.
- Écrire la forme d'énergie sur chaque flèche entre deux blocs.
Au brevet. On donne souvent un document technique (photo légendée, tableau de composants) et un schéma à compléter : il faut placer chaque composant dans la bonne fonction et nommer les formes d'énergie. Un capteur ou une carte qui « décide » n'appartient pas à la chaîne d'énergie.
En bref
- La chaîne d'énergie a quatre fonctions : Alimenter (pile, batterie, secteur, panneau solaire), Distribuer (interrupteur, relais, variateur, carte de commande), Convertir (moteur, résistance, LED…), Transmettre (engrenages, poulies, crémaillère…).
- Sources renouvelables (Soleil, vent, eau, biomasse, géothermie) ou non renouvelables (pétrole, gaz, charbon, uranium) ; l'électricité est une forme d'énergie, pas une source.
- P = U × I ; E = P × t (Wh avec W et h ; 1 Wh = 3 600 J) ; batterie : E = U × Q.
- Rendement η = P utile / P absorbée < 1 ; pertes surtout en chaleur ; dans une chaîne, les rendements se multiplient.
- Rapport de transmission r = N sortie / N entrée = Z menant / Z mené ; r < 1 : réducteur.
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