Série d’exercices corriges en electricite

 Série d’exercices corriges en électricité

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Puissance nominale.

Activité1p162 : Que signifie la valeur en Watt portées sur les lampes ?

1. Les indications portées sur les culots des lampes sont respectivement 12 V-25 W pour L1 et 12 V¬40 W pour L2.
2. La tension aux bornes de L1 vaut 12,06 V ; celle aux bornes de L2 vaut 11,99 V, soit des valeurs égales à 12,0 V à quelques centièmes de volt près.
3. La lampe qui éclaire le plus est L2.
4. Les lampes L1 et L2 sont adaptées au générateur de tension 12 V.
5. La lampe L2 marquée 40 W éclaire plus que la lampe L1 marquée 25 W. La lampe qui éclaire le plus est celle dont l’indication en W est la plus grande.
6. La lampe qui éclaire le plus étant la plus puissante, on en déduit que l’indication en watt portée sur les lampes donne la valeur de leur puissance lorsqu’elles sont branchées sous la tension indiquée.

Conclusion :

La puissance, notée P a pour unité de mesure le Watt noté W.

La puissance nominale d’un appareil électrique est la puissance électrique qu’il reçoit lorsqu’il est soumis à sa tension nominale (lorsqu’il fonctionne normalement).

AD : Chercher à la maison les valeurs des puissances nominales des appareils suivants :

Appareil Puissance

Veille d’une télévision 1W

Lampe basse consommation 30W

Lampe à incandescence 90W

Téléviseur 150W

Réfrigérateur 200W

Fer à repasser 800W

Chauffage électrique 1500W

Lave linge 2200W

Lave vaisselle 2500W

Four électrique 3kW

Doc1p168 : Un nom illustre pour une unité de puissance

1. Les travaux de Watt ont permis la réalisation de la véritable première machine à vapeur.
2. Tous les secteurs de l’industrie utilisent peu à peu la machine à vapeur. Cela permet leur développement.
3. Au XIXe siècle, le cheval était utilisé pour exercer des forces importantes. Le cheval-vapeur est la puissance développée par un cheval pour soulever une charge de 75 kg d’une hauteur de 1 m en 1 s. Il était alors facile d’exprimer la puissance d’une machine à vapeur comparativement à celle d’un cheval. Notons qu’un cheval-vapeur (CV) correspond à une puissance d’environ 736 watts.

Doc2p169 : Des lampes qui éclairent !

1. Pour une lampe à incandescence, 5 % seulement de la puissance électrique consommée est transformée en lumière ; c’est 80 % pour une lampe fluocompacte.
2. Si on touche une lampe à incandescence, on risque de se brûler. Le risque est bien plus faible avec une lampe fluocompacte.
3. Depuis le 13 août 2005, les lampes basse consommation disposent sur leur emballage du sigle poubelle barrée. Il est donc interdit de les jeter à la poubelle. Afin de faciliter la collecte et le recyclage de ces lampes, les producteurs de lampes ont créé Récylum. Cet éco-organisme, agréé par les pouvoirs publics depuis novembre 2006, organise la collecte des lampes auprès de certains distributeurs qui récupèrent les lampes usagées. Le site Internet de Récylum précise les points de collecte des lampes usagées.

Exercices :

9p171 : connaitre la signification des indications.

1. C’est la puissance « absorbée » par le four.
2. Tension nominale.
3. Fréquence du courant.
4. Puissance restituée par le four.

10p171 : Citer des ordres de grandeurs de puissances électriques.

Lampe : 40 W – Réfrigérateur : 135 W – Perceuse : 2 000 W – Plaque de cuisson : 5 000 W.

24p174 : Le cheval vapeur.

L’élève doit retrouver la conversion existant entre les 2 unités de puissance. Le cheval-vapeur est une unité traditionnelle de puissance. Voir document « Un nom illustre pour une unité de puissance », réponse à la question 3. Un cheval-vapeur (1 ch) est égal à environ 736 W.

1. Puissance, tension et intensité

AE : La lampe de monsieur Watt

La puissance reçue par un appareil est égale au produit de la tension appliquée entre ses bornes par l'intensité du courant qui le traverse.

P = U x I

Avec : P, puissance en Watt I, intensité en Ampère U, tension en Volt

Remarque : En courant alternatif, cette formule n’est valable que pour les appareils à effet thermique (radiateur électrique par exemple). Les valeurs de U et I étant des valeurs efficaces.

Données : I = 200mA = 0,2A

U = 230V

P = U x I

P = 230 x 0,2

P = 46W

Exercices :

11p171 : Déterminer une puissance.

1. Données : P= ?

U=12,01V I=2,12A

P = U x I

= 12,01 × 2,12

= 25,46 W.

2. Cette puissance est égale à la puissance nominale si la tension d’utilisation est la tension nominale.

12p171 : Prévoir une intensité.

1. données : I = ?

P = 500W U = 230V

U =P x I

I = P/U

= 500 / 230 = 2,17 A.

2. La valeur trouvée est inférieure à la valeur réelle 2,3 A, car la relation utilisée est valable en alternatif uniquement pour des appareils à effet thermique.

21p173 : Puissance d’une résistance.**

1. R = U/I = 4 / 0,027 = 148 Ω.
2. P = UI = 0,108 W.
3. P = UI = R I2 = 0,108 W.
4. P = U I = R I × I = RI2.

26p174 : La bonne puissance.

On doit distinguer la puissance nominale de la lampe indiquée sur le culot de la lampe et lue par Sylvain de la puissance consommée par la lampe et calculée par Audrey (1,48 A × 6 V = 8,88 W). La bonne puissance est celle réellement consommée par la lampe (= U I). Audrey a raison.

27p174 : C’est la vérité

On doit retrouver par le calcul la relation indiquée par le texte.

Puissance consommée par la lampe L1 :

6,06 V × 0,09 A = 0,545 4 W.

Puissance consommée par la lampe L2 :

6,06 V × 0,11 A = 0,666 6 W.

Puissance consommée par la lampe L3 :

6,06 V × 0,13 A = 0,787 8 W ;

Puissance consommée dans le circuit :

6,06 V × 0,33 A = 1,999 8 W.

On remarque que :

0,545 4 + 0,666 6 + 0,787 8 = 1,999 8 W.

III. Sécurité électrique.

Activité 3p164 : Quelles sont les origines des surintensités ? Comment s’en protéger ?

1. I = 2,08 A ; le fusible est en bon état.
2. I = 0,00 A ; le fusible est rompu.
3. Pour l’intensité dans la lampe L1, on pouvait prévoir la valeur I1 = P1 / U = 25 / 12 = 2,08 A.
4. En l’absence de fusible, on prévoit dans L2 l’intensité I2 = P2 / U = 40 / 12 = 3,33 A. Donc, dans le circuit, I = I1 + I2 = 2,08 + 3,33 = 5,4 A. Cette valeur est supérieure au calibre du fusible : il fond.
5. La puissance maximale d’une lampe adaptée au calibre du fusible est : P max = U x I = 12,05 × 3,0 = 36 W.
6. L’origine d’une surintensité est une puissance trop grande pour l’ensemble des récepteurs du circuit. On s’en protège par un coupe-circuit, qui ouvre le circuit quand l’intensité atteint une valeur donnée.

Doc 1p169 : Protection contre les dangers du courant

1. Le disjoncteur de branchement coupe le courant en cas de court-circuit ou en cas de dépassement de la puissance souscrite. Le disjoncteur différentiel coupe le courant lorsqu’il détecte une différence d’intensité du courant entre le fi l de phase et le fi l neutre. C’est le cas par exemple lorsqu’une personne touche accidentellement un élément sous tension : un courant de fuite la traverse pour rejoindre la Terre. Pour ôter tout danger pour les personnes, le calibre d’un disjoncteur différentiel doit être de 30 mA.
2. Plus le calibre du coupe-circuit est important, plus la section du fi l protégé est importante.
3. En plus des protections citées dans le texte on peut ajouter :

– présence obligatoire d’une bonne prise de terre à laquelle les appareils ménagers sont reliés ; – tous les fils électriques doivent être mis sous gaines, dans des plinthes... Aucun fi l dénudé ne doit être présent dans une installation ;

– dans une salle de bains, on défi nit quatre volumes de sécurité. Du volume zéro (douche, baignoire) au volume trois le plus éloigné des points d’eau. Chaque volume implique des consignes de sécurité à respecter. Par exemple, dans le volume zéro tout matériel électrique est interdit.

Conclusion :

Les coupes circuits (fusibles et disjoncteurs) protègent l’installation électrique et le matériel en ouvrant le circuit quand l’intensité dépasse la valeur maximale admissible par l’installation (trop d’appareils sur la même prise ou court-circuit).  

Exercices :

13p171 : Identifier l’origine d’une surintensité.

1. Si on branche le radiateur de 4 kW, on aura une intensité de 4 000 / 230 = 17,4 A, donc supérieure à 16 A.
2. Le fusible coupera le courant.
3. Permuter le radiateur et le fer à repasser. 14p171 : Connaitre les dangers d’une multiprise.
4. On aura : I = (135 + 1300 + 1500) / 230 = 12,8 A >10 A, donc le fusible coupera le courant.
5. Il faudrait un fusible de 16 A.
6. Energie électrique.

L’Energie électrique E transformée par un appareil est égale au produit de la puissance P de cet appareil par la durée t de son fonctionnement.

E = P x t

UNITES PUISSANCE DUREE ENERGIE

Système International Watt : W Seconde : s Joule : J

Usuelles (EDF) Kilowatt : kW Heure : h Kilowattheure : kWh

Remarque : D' après la formule E = P x t , on en déduit P = E / t

La puissance consommée par un appareil correspond donc à l'énergie électrique que cet appareil transforme chaque seconde (la vitesse à laquelle elle est transformée).

Doc1p184 : Petite histoire de l’éclairage.

1. Pour s’éclairer, l’homme a successivement utilisé le feu de bois, les torches, les lampes à huile, les chandelles, les bougies, les quinquets à huile, les lampes à pétrole, les becs de gaz, puis l’ampoule à incandescence et les lampes basse consommation.
2. L’éclairage électrique est beaucoup plus simple à mettre en oeuvre que tous les autres systèmes d’éclairage, puisqu’il fonctionne par simple appui sur un interrupteur. Il ne consomme pas de carburant qu’il faut souvent renouveler.
3. Pour faire fonctionner sa première ampoule à incandescence, Edison a fait passer du courant à travers un fi lament de carbone dans une ampoule vide d’air. Avant le carbone, il avait essayé toutes sortes de substances.

Doc2p184 : Joule ou calorie ?

1. La calorie est l’énergie thermique nécessaire pour élever de 1 °C la température de 1 g d’eau. Ce n’est pas une unité légale.
2. Pour déterminer la valeur énergétique d’un aliment, on réalise sa combustion dans du dioxygène et on utilise la chaleur dégagée pour chauffer de l’eau dont on mesure l’élévation de température. On en déduit le nombre de calories correspondant.
3. La valeur énergétique du repas est la somme des calories correspondant à tous les aliments ingérés.

Doc1p185 : La chasse aux gloutons.

1. Dans une installation domestique, le poste qui consomme le plus d’énergie est le chauffage.
2. Si on avait classé les appareils ménagers en fonction de leur puissance, on n’aurait pas obtenu le même classement, car l’énergie consommée dépend aussi du temps d’utilisation de ces appareils.
3. Pour 100 kWh, le prix de revient est en moyenne de 12 euros pour l’électricité et 7 euros pour le fioul, mais, provenant du pétrole qui augmente sans arrêt, le fioul va voir son prix augmenter alors que celui de l’électricité (qui est essentiellement d’origine nucléaire) devrait rester stable. Doc2p185 : Comment diminuer sa consommation d’énergie ?
4. On peut faire baisser sa facture d’électricité en isolant bien sa maison si le chauffage est électrique et en achetant des appareils de classe A.
5. Les veilles des appareils de télévision permettent une mise en route à distance mais elles consomment de l’énergie quand l’appareil ne fonctionne pas.
6. La consommation d’énergie électrique en France ne cesse d’augmenter, car, malgré les performances sans cesse améliorées de nos appareils, nous en avons de plus en plus.

Exercices :

8p187 : Utiliser la rotation du disque.

1. C = 2 Wh/tr.
2. L’énergie consommée est de 130 x 2 = 260 Wh = 0,26 kWh.
3. Pour 1 kWh consommé, le nombre de tours effectués par le disque est n = 1 000/2 = 500 tours.

9p187 : Calculer une consommation.

1. La consommation est égale à 15 528 – 15 437 = 91 kWh.
2. Le 1er mai, le compteur affichera : 15 528 + 82 = 15 610 kWh.

10p187 : Comparer les énergies électriques consommées.

1. A1 consommera deux fois plus d’énergie pendant le même temps, car l’énergie consommée est proportionnelle à la puissance.
2. Les consommations des deux appareils seront les mêmes (produits P.t égaux).

11p187 : Calculer une énergie.

1. Dans 4 h 15 min, il y a 4 x 3 600 + 15 x 60 = 15 300 s.
2. E = Pt = 100 x 15 300 = 1,53 x 106 J.
3. 1 Wh = 3 600 J donc 1 J = 1 / 3 600 Wh et E = 1,53 x 106 / 3 600 = 425 Wh.

12p187 : Calculer le cout du repassage.

1. Le temps de fonctionnement est t = 1 h 30

x 7 = 10 h 30. L’énergie consommée est E = 1 200 x 10,5 = 12 600 Wh = 12,6 kWh.

2. Pour une semaine, le coût est de 126 centimes d’euro, soit 1,26 euros. Pour un an (52 semaines), il est de 1,26 x 52 = 65,52 euros.

13p187 : Évaluer une économie d’énergie. 1. Données : P1 = 100 W = 0,100kW P2=156W=0,015kW

T = 1h

En une heure les lampes consomment

E1=P1 x t E2=P2xt

E1=0,100x1 E2= 0,015x1

E1=0,01kWh E2=0,0015kWh

L’économie d’énergie est donc :

Eéco=E1-E2

Eéco= 0,100-0,015

Eéco=0,085kWh

Sachant qu’1kWh coûte 0,10€, l’économie est donc de :

0,085x0, 10 = 0,0085€ (pour 1 ampoule pendant 1h)

2. Pour 10 ampoules : 0,0085x10=0,085€

Pendant 3h par jour : 0,085x3=0,255€

Pour 2 mois (61 jours) : 0,255x61= 15,55 €.

14p187 : Calculer le cout d’une veille.

1. La veille fonctionne en moyenne 13 heures en HP et 6 heures en HC.
2. En une année, la consommation en HP sera de 3 x 13 x 365 = 14 235 Wh = 14,235 kWh. La consommation en HC sera de 3 x 6 x 365 = 6 570 Wh = 6,570 kWh.
3. Le prix de revient hors TVA est égal à : 14,235 x 0,078 0 + 6,570 x 0,045 8 = 1,41 euro. Avec la TVA, ce prix de revient passe à : 1,41 x 1,196 = 1,69 euro.

16p188 : une soirée devant la télé.

1. Le poste fonctionne 5 heures par soir, il consomme donc une énergie égale à 200 x 5 = 1 000 Wh = 1 kWh.
2. Le nombre de tours du disque est égal à 1000 / 4 = 250.

17p188 : Le paradoxe du frigo.

Le réfrigérateur a une puissance relativement faible, mais il fonctionne pendant de nombreuses heures, ce qui fait que sa consommation énergétique est supérieure à celle d’autres appareils de plus forte puissance, mais qui fonctionnent moins longtemps.

18p188 : La puissance inconnue.

1. Pour 5 tours, 10 Wh sont consommés par la lampe en 6 minutes.
2. P = E / t ; 6 minutes = 1/10 = 0,1heure. La puissance de la lampe est donc : P = 10 / 0,1 = 100 W.

19p188 : Comparer une plaque électrique et un ordinateur.

1. L’énergie électrique consommée par la plaque chauffante est E = 1,2 / 4 = 0,3 kWh. Cette énergie est transformée en énergie thermique.
2. L’ordinateur, dont la puissance est 6 fois plus petite, mettra 6 fois plus de temps pour consommer cette énergie soit 1 h 30 min.

20p189 : Consommation d’un fer à repasser.

1. L’énergie consommée est de 50 x 2 = 100 Wh.
2. En 15 minutes, l’énergie consommée est égale à 100 Wh, donc la puissance de l’appareil est P = E / t = 100 / 14 = 400 W. La valeur trouvée est exactement celle qu’affiche le constructeur.

21po189 : Un parc d’éoliennes.

1. La puissance électrique de ce parc est : P =

84 x 600 = 50 400 kW.

2. L’énergie annuelle produite est E = Pt = 50 400 x 5 000 = 252 x 106 kWh.
3. L’énergie produite par une éolienne est égale à : 600 x 5 000 = 30 x 105 kWh. Il faudrait donc : 19,6 x 109 / (30 x 105) = 6 533 éoliennes pour remplacer la centrale de Golfech !

23p189 : Energie et éclair.

1. La puissance de l’éclair est P = UI = 105 x 106 = 1011 W.
2. L’énergie libérée est : E = Pt = 1011 x 1 / 1 000 = 108 J.
3. Un appareil de puissance 1 000 W pourrait, avec cette énergie, fonctionner pendant le temps : t = E / P = 108 / 1 000 = 105 s = 1 jour 3 h 46 min 40 s.

24p189 : Laver la vaisselle, combien ça coute ? (synthèse).

1. données : E= ?

P= 2500W=2,5kW

t=1h30min=1,5h

E =P x t

E = 2,5 x 1, 5

E= 3,75kWh

Pendant un mois de 30 jours, le lave-vaisselle consomme 3,75 x 30 = 112,5 kWh.

2. Le prix de revient est égal à 0,045 8 x 112,5 x 1,196 = 6,16 €.
3. Au cours d’un lavage, le lave-vaisselle consomme 3,75 kWh. L’indication du compteur après le lavage sera donc : 5438 + 3,75 = 5 442 kWh. (pas de décimale sur les compteur)

25p190 : La guerre des lampes.

La lampe à incandescence fournit 1 200 lumens pour 100 watts, donc pour 60 W, elle fournit : (1 200 / 100) x 60 = 720 lumens. Une ampoule économique fournit 10 000 lumens pour 100 W, donc si elle fournit 720 lumens, c’est que sa puissance est égale à : (100 / 10 000) x 720 = 7,2 W. La puissance de la lampe économique est donc de 7,2 W soit 60 / 7,2 = 8 fois moins que l’ampoule de 60 W à incandescence. Elle consomme donc 8 fois moins que cette dernière.

26p190 : La veille du magnétoscope.

On peut évaluer le temps de fonctionnement moyen d’un magnétoscope à 2 heures par jour. Il est donc en veille pendant 22 heures. L’énergie consommée pendant le temps de fonctionnement est E1 = 19 x 2 = 38 Wh. L’énergie consommée en veille est E2 = 3 x 22 = 66 Wh, donc le magnétoscope consomme plus quand il ne fonctionne pas que lorsqu’il fonctionne ! C’est Djibril qui a raison.