Énergie et puissance électriques

Programmes : KS3, GCSE, cycle 4, 1re (effet Joule), Sek I, AP2

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Objectif

Mesurer la puissance consommée par l’ampoule et l’énergie que le courant fournit au cours du temps ; vérifier que \(E = P \cdot t\).

Le montage

Une source de 6 V, un wattmètre et une ampoule de 6 V / 3 W. Le circuit courant du wattmètre (bornes « ± » et « A ») est branché en série avec l’ampoule, le circuit tension (bornes « ± » et « V ») en dérivation sur l’ampoule. La ligne du haut de l’afficheur indique la puissance, la ligne du bas l’énergie ou la durée de comptage : les touches E et t permettent de passer de l’une à l’autre. Le comptage est arrêté tant que la touche ▶■ n’a pas été pressée.

Protocole

1. Notez la puissance \(P\) sur la ligne du haut de l’afficheur.
2. Appuyez sur ▶■ et, après 10–20 s, appuyez de nouveau pour arrêter le comptage. Notez l’énergie \(E\) (touche E) et la durée \(t\) (touche t).
3. Calculez \(P = E / t\) et comparez avec l’indication de la ligne du haut.
4. Réglez la source sur 3 V et notez de nouveau la puissance.

Résultat attendu

L’ampoule consomme environ 2,75 W — un peu moins que sa puissance nominale : une partie de la tension chute à l’intérieur de la source. Par exemple, en 10,8 s le compteur atteint environ 29,7 J, et \(E / t\) = 2,75 W — comme sur la ligne du haut. À 3 V, la puissance est d’environ 0,89 W : la tension a diminué de moitié, mais la puissance seulement d’un facteur 3,1, et non 4. Le filament est moins chaud, et sa résistance est plus faible.

Questions

1. En quoi se transforme le travail effectué par le courant dans l’ampoule ?
2. Pourquoi la puissance de l’ampoule sous une tension deux fois plus faible n’a-t-elle pas été divisée par quatre, comme ce serait le cas pour une résistance ?
3. À combien de joules correspond 1 W · h ?

Réponses

1. En énergie interne du filament chaud, que l’ampoule cède sous forme de chaleur et de lumière. Sur les 2,75 W, la plus grande partie s’en va sous forme de chaleur et de rayonnement infrarouge ; la lumière visible n’en représente que quelques pour cent.
2. Pour une résistance, \(P = U^2 / R\) avec \(R\) constante, donc une tension deux fois plus faible donne une puissance quatre fois plus faible. La résistance d’un filament de tungstène augmente avec sa température : à 3 V, le filament est moins chaud et sa résistance plus faible, donc l’intensité diminue de moins de moitié, et la puissance n’est divisée que par 3,1, de 2,75 W à 0,89 W.
3. 1 W · h = 1 W · 3600 s = 3600 J. L’ampoule de ce montage consomme 2,75 W · 3600 s ≈ 9900 J en une heure.