L’énergie Électrique

L’énergie électrique est la capacité d’un circuit électrique à produire du travail en créant une action. Cette action peut prendre diverses formes, telles que thermique, électromagnétique, mécanique, électrique, etc. L’énergie électrique peut être créée à partir de batteries, générateurs, dynamos et photovoltaïques, etc., ou stockée pour une utilisation future à l’aide de piles à hydrogène, batteries, condensateurs ou champs magnétiques, etc. Ainsi, l’énergie électrique peut être soit créée, soit stockée.

Nous nous souviennent de nos cours de sciences à l’école que la “Loi de la conservation de l’énergie” stipule que l’énergie ne peut être créée ni détruite, seulement convertie. Mais pour que l’énergie puisse effectuer un travail utile, elle doit être convertie d’une forme à une autre. Par exemple, un moteur convertit l’énergie électrique en énergie mécanique ou cinétique (rotative), tandis qu’un générateur convertit l’énergie cinétique en énergie électrique pour alimenter un circuit.

En somme, les machines électriques convertissent ou transforment l’énergie d’une forme à une autre en effectuant un travail. Un autre exemple est une lampe, une ampoule ou une DEL (diode électroluminescente) qui convertit l’énergie électrique en énergie lumineuse et en énergie thermique. Donc, l’énergie électrique est très polyvalente car elle peut être facilement transformée en plusieurs autres formes d’énergie.

Pour que l’énergie électrique déplace des électrons et produise un flux de courant dans un circuit, un travail doit être effectué, c’est-à-dire que les électrons doivent se déplacer sur une certaine distance à travers un fil ou un conducteur. Le travail effectué est stocké dans le flux des électrons sous forme d’énergie. Ainsi, le “Travail” est le terme que nous donnons au processus d’énergie.

L’énergie Électrique : Le Volt

Comme nous le savons maintenant, l’énergie est la capacité d’effectuer un travail, l’unité standard utilisée pour l’énergie (et le travail) étant le Joule. Un joule d’énergie est défini comme l’énergie dépensée par un ampère à un volt, se déplaçant en une seconde. Le courant électrique résulte du mouvement de la charge électrique (électrons) autour d’un circuit, mais pour déplacer une charge d’un nœud à un autre, une force doit être exercée pour créer le travail permettant de déplacer la charge, et cette force est : tension.

Nous avons tendance à penser à la tension (V) comme existant entre deux bornes, points ou nœuds différents au sein d’un circuit ou d’une batterie. Mais la tension est importante car elle fournit le travail nécessaire pour déplacer la charge d’un point à un autre, soit dans une direction directe, soit dans une direction inverse.

La différence de tension, ou différence de potentiel entre deux bornes ou nœuds fournis par une source de tension, est définie comme ayant une valeur d’un volt, lorsque un joule d’énergie est utilisé pour déplacer un coulomb de charge électrique entre ces deux bornes.

En d’autres termes, la différence de tension entre deux points ou bornes est le travail requis en Joules pour déplacer un Coulomb de charge de A à B. Par conséquent, la tension peut être exprimée comme suit :

L’Unité de Tension

Où : la tension est en Volts, J est le travail ou l’énergie en Joules et C est la charge en Coulombs. Ainsi, si J = 1 joule, C = 1 coulomb, alors V sera égal à 1 volt.

Exemple d’Énergie Électrique n°1

Quelle est la tension terminale d’une batterie qui dépense 135 joules d’énergie pour déplacer 15 coulombs de charge dans un circuit électrique.

Nous pouvons donc voir dans cet exemple que chaque coulomb de charge possède une énergie de 9 joules.

L’énergie Électrique : L’Ampère

Nous avons vu que l’unité de charge électrique est le Coulomb et que le flux de charge électrique autour d’un circuit est utilisé pour représenter un flux de courant. Cependant, comme le symbole d’un coulomb est la lettre “C“, cela peut être confondu avec le symbole de la Capacité, qui est également la lettre “C“.

Pour éviter cette confusion, le symbole communément utilisé pour la charge électrique est la lettre majuscule “Q” ou la petite lettre “q“, représentant essentiellement la quantité. Ainsi, Q = 1 coulomb de charge ou Q = 1C. Notez que la charge Q peut être soit positive, +Q, soit négative, -Q, c’est-à-dire un excès d’électrons ou de trous.

Le flux de charge autour d’un circuit fermé sous forme d’électrons est appelé courant électrique. Cependant, l’utilisation de l’expression “flux de charge” implique un déplacement, donc pour produire un courant électrique, la charge doit se déplacer. Cela nous amène alors à la question de ce qui fait bouger la charge, et cela est réalisé par notre ancien ami la Tension mentionnée ci-dessus.

Ainsi, la tension ou différence de potentiel entre deux points fournit l’énergie électrique requise pour déplacer la charge autour d’un circuit sous forme de courant électrique. Par conséquent, le travail effectué pour déplacer la charge est fourni par une différence de potentiel, et s’il n’y a pas de différence de potentiel entre deux points, il n’y a pas de mouvement de charge et donc pas de flux de courant. En fait, la charge sans aucun mouvement est appelée électricité statique.

L’Unité d’Ampère

Où : Q est la charge (en coulombs) et t est l’intervalle de temps (en secondes) que la charge se déplace. En d’autres termes, le courant électrique a à la fois une magnitude (la quantité de charge) et une direction spécifiée qui lui est associée.

Notez que le symbole couramment utilisé pour le courant électrique est la lettre majuscule “I”, ou la petite lettre “i”, représentant tous deux l’intensité. C’est-à-dire l’intensité ou la concentration de charge produisant le flux d’électrons.

Pour un courant continu, la lettre majuscule “I” est généralement utilisée, tandis que pour un courant alternatif variant dans le temps, la lettre minuscule “i” est souvent utilisée. Le symbole i_(t) signifie simplement une valeur instantanée du courant à cet instant précis.

Il est parfois plus facile de se souvenir de cette relation en utilisant une image. Ici, les trois quantités Q, I et t ont été superposées dans un triangle représentant la position réelle de chaque quantité au sein de la formule du courant.

Le Triangle du Courant Ampère

Transposer la formule standard ci-dessus nous donne les combinaisons suivantes de la même équation :

Exemple d’Énergie Électrique n°2

1. Quel courant traverse un circuit si 900 coulombs de charge passent à un point donné en 3 minutes.

2. Un courant électrique de 3 Ampères traverse un résistor. Combien de coulombs de charge vont passer à travers le résistor en 90 secondes ?

L’énergie Électrique : Le Watt

La puissance électrique est le produit des deux quantités, Tension et Courant, comme défini par la loi d’Ohm. Je peux être donné comme le taux auquel le travail est effectué en dépensant de l’énergie. Nous avons dit précédemment que la tension fournit le travail requis en Joules pour déplacer un Coulomb de charge de A à B et que le courant est le taux de mouvement (ou le taux d’écoulement) de la charge. Alors, comment ces deux définitions sont-elles liées ?

Si la tension, (V) égale des Joules par Coulombs (V = J/C) et les Ampères (I) équivalent à la charge (coulombs) par seconde (A = Q/t), alors nous pouvons définir la puissance électrique (P) comme étant l’addition de ces deux quantités. Cela parce que la puissance électrique peut également être égale à tension fois ampères, c’est-à-dire : P = V*I.

Le Watt

Nous pouvons donc voir que la puissance électrique est également le taux auquel le travail est effectué pendant une seconde. C’est-à-dire, un joule d’énergie dissipé en une seconde. Comme la puissance électrique est mesurée en Watts (W), la formule de la puissance électrique doit également être mesurée en Joules par seconde. Donc, nous pouvons dire correctement que : 1 watt = 1 joule par seconde (J/s).

Formule de la Puissance Électrique

Donc, si 1 watt = 1 joule par seconde, il s’ensuit alors que : 1 Joule d’énergie = 1 watt durant une unité de temps, c’est-à-dire : Travail égal Puissance multipliée par Temps, (V*I*t joules). Ainsi, l’énergie électrique (le travail effectué) est obtenue en multipliant la puissance par le temps en secondes que la charge (sous forme de courant) s’écoule.

Ainsi, les unités d’énergie électrique dépendent des unités utilisées pour la puissance électrique et le temps. Donc, si nous mesurons la puissance électrique en kilowatts (kW), et le temps en heures (h), alors l’énergie électrique consommée égale kilowatts * heures (Wh) ou simplement : kilowatt-heures (kWh).

Exemple d’Énergie Électrique n°3

Une ampoule de 100 Watts est allumée pendant une heure seulement. Combien de joules d’énergie électrique ont été utilisés par la lampe.

Notez que lorsqu’il s’agit du joule comme unité d’énergie électrique, il est plus pratique de les présenter en kilojoules. Ainsi, la réponse peut être donnée sous la forme : 360kJ.

Comme un joule à lui seul est une petite quantité, le kilojoule (kJ), des milliers de joules, le mégajoule (MJ), des millions de joules, et même le gigajoule (GJ), des milliards de joules, sont tous des unités pratiques d’énergie électrique. Ainsi, une unité d’électricité qui est équivalente à un kilowatt-heure (kWh) peut être définie comme 3.6 mégajoules (MJ).

Pareillement, puisque un Watt est une si petite quantité de puissance électrique, les kilowatts (1 kW = 1 000 watts) et les mégawatts (1 MW = 1 million de watts) sont couramment utilisés pour identifier la puissance de sortie des équipements et appareils électriques. Ainsi, nous pouvons voir que le kilowatt (ou mégawatt) est une unité de puissance électrique, tandis que le kilowatt-heure est une unité d’énergie électrique.