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Deux siècles d'énergie électrique : conversion et transport
Induction et alternateur, effet photovoltaïque, conversion et rendement, transport de l'électricité (effet Joule, haute tension, graphe du réseau et optimisation) (programme d'enseignement scientifique de Terminale)
À propos de cette page
Choisis ton niveau. Questions et réponses mélangées à chaque partie. Bonne chance !
Les 24 questions du QCM en version texte
Pour réviser sans écran ou imprimer : chaque question avec ses propositions ; la bonne réponse et son explication se déplient.
Niveau facile — 8 questions
Qui met en évidence l'induction électromagnétique en 1831 ?
- A. Alessandro Volta
- B. Michael Faraday
- C. Thomas Edison
- D. Edmond Becquerel
Réponse
B. Michael Faraday — Faraday observe en 1831 qu'un aimant en mouvement près d'une bobine y fait apparaître une tension. Volta a inventé la pile (1800), Becquerel a observé l'effet photovoltaïque (1839).
Dans un alternateur de centrale, la partie mobile entraînée par la turbine est :
- A. le stator
- B. le transformateur
- C. la bobine fixe
- D. le rotor
Réponse
D. le rotor — Le rotor (aimant ou électroaimant) tourne ; le stator, fixe, porte les bobines où la tension est induite.
Une cellule photovoltaïque convertit :
- A. de l'énergie lumineuse en énergie électrique
- B. de l'énergie électrique en énergie lumineuse
- C. de l'énergie thermique en énergie électrique
- D. de l'énergie chimique en énergie électrique
Réponse
A. de l'énergie lumineuse en énergie électrique — Les photons absorbés par le semi-conducteur mettent en mouvement des électrons : l'énergie du rayonnement devient électrique, sans pièce mobile.
Dans quelle unité s'exprime l'éclairement reçu par un panneau solaire ?
- A. en watts (W)
- B. en joules (J)
- C. en W/m²
- D. en kWh
Réponse
C. en W/m² — L'éclairement est une puissance lumineuse par unité de surface ; on le multiplie par la surface en m² pour obtenir la puissance reçue.
Les pertes d'énergie dans une ligne électrique sont principalement dues :
- A. à l'effet photovoltaïque
- B. à l'induction
- C. à l'effet Joule
- D. au transformateur
Réponse
C. à l'effet Joule — Les câbles ont une résistance : ils dissipent la puissance R × I² sous forme de chaleur.
Le rendement d'un convertisseur est égal au quotient :
- A. de la puissance utile par la puissance reçue
- B. de la puissance reçue par la puissance utile
- C. de la puissance perdue par la puissance utile
- D. de la puissance utile par la puissance perdue
Réponse
A. de la puissance utile par la puissance reçue — η = P_utile / P_reçue, nombre compris entre 0 et 1.
Dans le graphe qui modélise un réseau électrique, les centrales de production sont :
- A. des cibles
- B. des arcs
- C. des nœuds intermédiaires
- D. des sources
Réponse
D. des sources — Les centrales sont les sources, les zones de consommation les cibles, les postes les nœuds intermédiaires ; les lignes sont les arcs.
Un transformateur sert à :
- A. produire de l'électricité à partir d'un aimant
- B. modifier la valeur d'une tension alternative
- C. stocker l'énergie électrique du réseau
- D. transformer le courant alternatif en continu
Réponse
B. modifier la valeur d'une tension alternative — Il élève la tension en sortie de centrale et l'abaisse près des consommateurs ; il ne fonctionne qu'en courant alternatif.
Niveau moyen — 8 questions
Un alternateur reçoit 280 MW de puissance mécanique et fournit 275 MW électriques. Son rendement vaut environ :
- A. 98,2 %
- B. 1,02
- C. 5,0 %
- D. 101,8 %
Réponse
A. 98,2 % — η = 275 / 280 ≈ 0,982. Un rendement supérieur à 1 (280 / 275) est impossible : on a inversé le quotient.
Une chaîne comporte trois convertisseurs de rendements 0,80 ; 0,95 et 0,88. Son rendement global vaut environ :
- A. 2,63
- B. 0,88
- C. 0,67
- D. 0,80
Réponse
C. 0,67 — Les rendements se multiplient : 0,80 × 0,95 × 0,88 ≈ 0,67. La somme (2,63) n'a pas de sens.
Un câble de résistance 2,5 Ω est parcouru par un courant de 40 A. La puissance dissipée par effet Joule vaut :
- A. 100 W
- B. 1 600 W
- C. 16 W
- D. 4 kW
Réponse
D. 4 kW — P_J = R × I² = 2,5 × 40² = 2,5 × 1 600 = 4 000 W. Le résultat 100 W vient d'un oubli du carré.
À puissance transportée constante, on multiplie par 3 la tension d'une ligne. Les pertes par effet Joule sont :
- A. multipliées par 3
- B. divisées par 9
- C. divisées par 3
- D. inchangées
Réponse
B. divisées par 9 — L'intensité est divisée par 3 et P_J = R I², donc les pertes sont divisées par 3² = 9.
Un semi-conducteur a une énergie de gap de 1,24 eV. Il absorbe les photons de longueur d'onde :
- A. supérieure à 1,00 µm
- B. inférieure ou égale à 1,00 µm
- C. égale à 1,00 µm uniquement
- D. comprise entre 1,24 et 2,48 µm
Réponse
B. inférieure ou égale à 1,00 µm — λ_max = hc / E_g ≈ 1,99 × 10⁻²⁵ / (1,24 × 1,60 × 10⁻¹⁹) ≈ 1,00 µm. Les photons plus courts sont plus énergétiques, donc absorbés.
Une cellule de 120 cm² fournit au maximum 2,0 W sous un éclairement de 850 W/m². Son rendement vaut environ :
- A. 2,0 %
- B. 5,1 %
- C. 0,2 %
- D. 20 %
Réponse
D. 20 % — P_lum = 850 × 120 × 10⁻⁴ = 10,2 W, donc η = 2,0 / 10,2 ≈ 0,196, soit environ 20 %.
Une ligne à 20 kV transporte une puissance de 5,0 MW. L'intensité du courant vaut :
- A. 250 A
- B. 4 000 A
- C. 100 A
- D. 2,5 A
Réponse
A. 250 A — I = P / U = 5,0 × 10⁶ / 20 × 10³ = 250 A.
Un nœud du réseau reçoit 310 A et 445 A, et alimente deux lignes. L'une emporte 520 A ; l'autre emporte :
- A. 1 275 A
- B. 210 A
- C. 235 A
- D. 755 A
Réponse
C. 235 A — Loi des nœuds : 310 + 445 = 755 A entrent, donc la seconde ligne emporte 755 − 520 = 235 A.
Niveau difficile — 8 questions
Pour une ligne à très haute tension, un élève calcule les pertes par P_J = U²/R, avec U la tension de la ligne. Son erreur :
- A. aucune, cette formule équivaut à R × I²
- B. il faudrait utiliser P_J = U × I avec la tension de ligne
- C. U n'est pas la tension aux bornes du câble
- D. il faudrait diviser le résultat par le rendement
Réponse
C. U n'est pas la tension aux bornes du câble — La tension aux bornes du câble est la petite chute de tension R × I, pas la tension de ligne. Avec la tension de ligne, on obtient des pertes supérieures à la puissance transportée.
On éclaire une cellule au silicium avec un rayonnement infrarouge très intense dont les photons ont une énergie inférieure au gap. La cellule :
- A. ne produit pratiquement aucun courant
- B. produit un courant proportionnel à l'éclairement
- C. produit un courant mais aucune tension
- D. fonctionne avec un meilleur rendement
Réponse
A. ne produit pratiquement aucun courant — Chaque photon doit, à lui seul, avoir une énergie au moins égale au gap. Augmenter leur nombre n'y change rien.
Quelle affirmation sur le rendement global d'une chaîne de conversion est toujours vraie ?
- A. il est égal à la moyenne des rendements de la chaîne
- B. il est égal à la somme des rendements
- C. il vaut au moins le plus grand rendement
- D. il ne dépasse pas le plus petit rendement
Réponse
D. il ne dépasse pas le plus petit rendement — C'est un produit de facteurs compris entre 0 et 1 : il est inférieur ou égal à chacun d'eux, donc au plus petit.
Une cellule photovoltaïque éclairée est branchée sur une résistance de très grande valeur. Elle fonctionne :
- A. à sa puissance maximale
- B. près de U_co, avec une puissance quasi nulle
- C. en court-circuit, avec une tension nulle
- D. avec un courant égal à son courant de court-circuit
Réponse
B. près de U_co, avec une puissance quasi nulle — Une très grande résistance laisse passer un courant presque nul : la tension est proche de U_co et P = U × I est presque nulle.
Un aimant tourne à vitesse constante devant une bobine reliée à un oscilloscope. La tension observée est :
- A. alternative
- B. continue et constante
- C. nulle, car la vitesse est constante
- D. continue et croissante
Réponse
A. alternative — Même à vitesse constante, le champ dans la bobine s'inverse à chaque demi-tour : la tension induite change de signe, c'est le principe de l'alternateur.
Pourquoi le réseau électrique fonctionne-t-il principalement en courant alternatif ?
- A. car le courant continu ne peut pas circuler dans un câble
- B. car le courant alternatif ne provoque aucun effet Joule
- C. car un alternateur ne produit que du courant continu
- D. car les transformateurs n'agissent que sur l'alternatif
Réponse
D. car les transformateurs n'agissent que sur l'alternatif — Le transformateur, indispensable pour élever puis abaisser la tension, ne fonctionne qu'en alternatif. L'effet Joule existe dans les deux cas.
Deux lignes de résistances R et 2R alimentent une même cible, sans limite de production. Pour minimiser les pertes :
- A. tout le courant doit passer par la ligne de résistance R
- B. le courant doit être partagé à parts égales entre les lignes
- C. la ligne de résistance R doit porter deux fois plus de courant
- D. la ligne de résistance 2R doit porter deux fois plus de courant que l'autre
Réponse
C. la ligne de résistance R doit porter deux fois plus de courant — Les pertes sont minimales quand I₁ / I₂ = R₂ / R₁ = 2 : la ligne la moins résistante porte deux tiers du courant, pas la totalité.
Sur une même ligne, à tension constante, on double la puissance transportée. Les pertes relatives P_J / P sont :
- A. inchangées
- B. multipliées par 2
- C. multipliées par 4
- D. divisées par 2
Réponse
B. multipliées par 2 — P_J / P = R P / U² : proportionnelles à P. Les pertes elles-mêmes sont multipliées par 4, mais leur part relative seulement par 2.
Moi c'est Ben, j'ai créé ce site pour aider le plus d'élèves possible, partout en France. Je peux aussi reprendre avec toi ce qui coince en cours particulier : en visio, ou à domicile si tu es à Marseille.
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