Électrotechnique BMT & UFC › Bases physiques

Énergie

L’état d’un corps est décrit, entre autres, par sa masse, sa densité, sa position dans l’espace et son énergie. L’énergie d’un corps décrit la partie de son état qui est facilement modifiable et qui est donc intéressante sur le plan technique, car les différentes formes d’énergie peuvent être converties les unes en les autres. Si, par exemple, une machine doit déplacer quelque chose, elle doit convertir une forme d’énergie quelconque en énergie cinétique. L’énergie n’est ni créée ni détruite ; elle est toujours seulement convertie d’une forme en une autre.

Chaque fois que nous voulons produire un effet avec le courant électrique, de l’énergie électrique est convertie en une autre forme. Lorsque vous conduisez une voiture électrique, par exemple, de l’énergie électrique est prélevée dans la batterie et convertie en énergie cinétique dans le moteur.

Supposons que la batterie de la voiture électrique soit entièrement chargée au début du trajet. Vous vous installez au volant et accélérez. La voiture prend de la vitesse et atteint par exemple v = 10 m/s. Votre voiture a une masse de m = 2000 kg. Elle possède une énergie cinétique de

\[ \begin{gathered} W = \frac{1}{2} m v^2 = \frac{1}{2} \cdot 2000\,\mathrm{kg} \cdot \left(10\,\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}\right)^2 = 100\,\mathrm{kJ} \\[4pt] W\text{ : symbole de l’énergie} \\[4pt] [W] = \mathrm{J}\text{, « joule » : unité de l’énergie} \end{gathered} \]

Cette énergie doit bien venir de quelque part. Elle était stockée dans la batterie. Une fois cette vitesse atteinte, la batterie est donc un peu moins chargée. En général, une forme d’énergie diminue tandis qu’une autre augmente. L’énergie électrique de la batterie diminue lorsque l’énergie cinétique augmente.

Pour éclairer, déplacer, chauffer, refroidir, afficher ou déformer quelque chose techniquement, une énergie d’entrée est toujours convertie en une autre forme d’énergie. En électrotechnique, l’une des formes d’énergie concernées est toujours l’énergie électrique.

Exemples

Moteur : conversion d’énergie électrique en énergie cinétique
Plaque de cuisson : conversion d’énergie électrique en chaleur (énergie thermique)
Générateur : conversion d’énergie cinétique en énergie électrique
Lampe de poche : conversion d’énergie électrique en lumière

Une variation d’énergie est « transportée » par la puissance. Une variation d’énergie se présente toujours sous forme de puissance.

Prenons une analogie : vous pouvez imaginer deux formes d’énergie comme deux tas de sable. La quantité de sable sur chaque tas indique la quantité d’énergie présente sous chaque forme. Si vous déplacez du sable d’un tas à l’autre avec une pelle, la quantité de sable par unité de temps correspond à la puissance. Si vous travaillez vite et déplacez beaucoup de sable par unité de temps, la puissance est élevée. L’énergie varie rapidement.

La puissance a pour symbole P et pour unité le W (« watt »). Mathématiquement, nous l’exprimons ainsi :

\[ \begin{gathered} P(t) = \frac{dW(t)}{dt} \\[6pt] P(t) = \text{constante dans le temps : } P(t) = \frac{W(t)}{t} \end{gathered} \]

La variation d’énergie dans le temps correspond à la dérivée temporelle de l’énergie dW / dt. Si vous pelletez le sable à puissance constante, nous pouvons simplifier le terme en W / t. Selon la formule, la puissance P correspond donc aussi à la quantité de sable (énergie) que vous déplacez pendant un intervalle de temps (t).

Si vous accélérez fortement avec la voiture électrique, beaucoup d’énergie électrique par unité de temps est convertie de la batterie en énergie cinétique. Concrètement, la voiture prend de la vitesse en peu de temps. La puissance est alors élevée. Pour les voitures, la puissance maximale est souvent mise en avant comme argument de vente. Avec une voiture puissante, vous pouvez convertir rapidement (en peu de temps) beaucoup d’énergie électrique en énergie cinétique.

Si vous appuyez doucement sur l’accélérateur, la voiture accélère plus lentement : moins de puissance est donc disponible pour convertir l’énergie électrique en énergie cinétique. Voici à nouveau le résumé sur l’énergie et la puissance :

Grandeur physique	Symbole	Nom de l’unité	Symbole de l’unité
Énergie	\(W\)	joule	\(1\,\mathrm{J} = 1\,\mathrm{W} \cdot \mathrm{s}\)
Puissance	\(P\)	watt	\(1\,\mathrm{W}\)

Notez que le symbole de l’énergie, « W comme l’anglais WORK », utilise la même lettre que l’unité de puissance, « W comme watt ». C’est un peu malheureux, mais vous vous y habituerez avec le temps.

Pour utiliser l’énergie électrique techniquement, nous devons la comprendre et savoir la calculer. L’énergie électrique se calcule à partir de la charge électrique. C’est pourquoi nous étudions la charge électrique au chapitre suivant. C’est la grandeur élémentaire de l’électrotechnique.