Les énergies

Énergie électrique

L’énergie électrique est l’énergie qu’on trouve sous forme d’électricité.

L’énergie électrique permet de faire fonctionner la plupart des objets techniques : dans ce cas, elle est transformée en un autre type d’énergie par un système de conversion. Par exemple, on trouve les moteurs, qui permettent de passer de l’énergie électrique vers l’énergie mécanique.

L’énergie électrique est facile à produire et à transporter. En revanche, son stockage en grande quantité est compliqué (avec des batteries).

Énergie mécanique

L’énergie mécanique est l’énergie qu’on trouve sous forme de mouvement. Tous les objets techniques se déplaçant, ou possédant des pièces mobiles, produisent de l’énergie mécanique.

L’énergie mécanique peut se trouver sous deux formes :

• cinétique : dans ce cas, l’énergie est directement contenue dans le mouvement d’un élément pesant (élément ayant une masse, en kg) ;
• potentielle : dans ce cas, l’élément pesant n’est pas en mouvement, mais il est placé en hauteur, et peut être relâché pour gagner de la vitesse (exemple : eau d’un barrage électrique).

L’énergie hydraulique est un cas particulier d’énergie mécanique, qui consiste en la mise en mouvement d’eau sous pression. De même, pour l’énergie pneumatique, qui consiste en la mise en mouvement d’air sous pression.

Autres énergies

Énergie rayonnante

L’énergie rayonnante est l’énergie qu’on trouve sous forme de lumière.

On utilise l’énergie rayonnante pour éclairer les habitations ou les villes.

Énergie thermique

L’énergie thermique est l’énergie qu’on trouve sous forme de chaleur.

On utilise l’énergie chimique pour chauffer les habitations, ou dans les moteurs thermiques (voiture à essence, avion, etc.).

Énergie chimique

L’énergie chimique se trouve à l’intérieur de la matière : elle permet de lier les atomes et les molécules entre eux. Cette énergie peut être libérée, notamment par combustion de la matière.

On trouve de l’énergie chimique dans l’essence ou le bois qu’on fait brûler.

Énergie nucléaire

L’énergie nucléaire se trouve aussi à l’intérieur de la matière : elle permet de lier les éléments constitutifs du noyau d’un atome (neutron et proton) entre eux. Cette énergie peut être libérée par fission atomique (on casse un atome) ou fusion atomique (on fait se regrouper deux atomes).

On trouve principalement l’énergie nucléaire dans les centrales de production d’énergie.

Comme son nom l’indique, un convertisseur d’énergie transforme une source d’énergie en une autre source d’énergie.

• Les plus connus sont les grandes éoliennes qui transforment l’énergie cinétique du vent (force du vent, souvent appelée énergie éolienne), en énergie électrique ;
• Les centrales électriques qui transforment différentes sources d’énergie telles que la combustion du charbon ou des déchets organiques (énergie thermique), la chaleur du sol (géothermie), en énergie électrique ;
• Ou encore les centrales nucléaires qui transforment l’énergie nucléaire (fusion et fission) en énergie électrique.

Mais il existe des convertisseurs d’énergie plus petits qui sont couramment utilisés au quotidien, comme les moteurs : énergie électrique ou à explosion (moteur à essence/diesel de la voiture) en énergie mécanique de rotation, ils vont permettre de faire bouger un ensemble mécanique en tournant.

• Les vérins, qui sont de grandes tiges qui poussent et tirent des systèmes, eux convertissent de l’énergie électrique ou pneumatique ou parfois hydraulique (de l’huile !) en énergie mécanique de translation.
• Les radiateurs sont des convertisseurs d’énergie électrique en énergie thermique (souvent appelée « calorifique »). L’inverse du radiateur est le réfrigérateur.
• Une pile est un convertisseur d’énergie chimique en énergie électrique.
• Une lampe, d’énergie électrique en énergie lumineuse.
• Un panneau solaire photovoltaïque, d’énergie solaire en énergie électrique.

Tous les convertisseurs subissent des pertes lors de la transformation d’énergie, elles sont souvent thermiques (chaleur).

Par exemple, un moteur de voiture à essence ou diesel (« gasoil », c’est la même chose) chauffe beaucoup, il suffit de s’approcher du capot pour s’en rendre compte.

La voiture aura donc utilisé une grande partie de l’essence (ou du gasoil) consommée pour permettre au moteur de développer son énergie mécanique et à la voiture de bouger, mais une toute petite partie sera perdue en chaleur…

Alors on peut dire que chaque convertisseur d’énergie a son rendement, c’est-à-dire un coefficient entre l’énergie utilisée et l’énergie consommée.

Les ingénieurs qui conçoivent les systèmes (voiture, avion, objet électromécanique, etc.) sont en perpétuelle réflexion pour essayer d’améliorer le rendement des objets qu’ils doivent créer, car si l’objet est mal conçu, il faudra utiliser plus d’énergie à la source !

Il existe deux types de courant électrique que l’on peut couramment utiliser :

Le courant alternatif (CA ou AC en anglais pour Alternative Current) :

Il change de sens très rapidement et il permet d’utiliser des fréquences plus rapides. Il est couramment utilisé dans l’habitat avec une tension de 220V en monophasé (1 phase et 1 neutre).

Les bornes sont repérées Phase (P ou L en anglais pour Line) et Neutre (N) souvent accompagnées de la Terre (T ou G en anglais pour Ground) qui permet de protéger l’utilisateur avec un disjoncteur. 

Dans l’industrie, pour les gros moteurs, on peut trouver du courant alternatif de 380V en triphasé (3 phases et 1 neutre).

Le courant continu (CC ou DC en anglais pour Direct Current) : 

C’est le courant que l’on retrouve typiquement pour les piles et batteries, le courant se déplace du « + » vers le « - » (sens conventionnel) et l’on retrouve la même appellation pour les bornes. La tension varie en fonction du générateur (piles ou batteries).

Chaîne d’énergie type d’un objet technique

L’électricité, ou énergie électrique, est l’énergie la plus utilisée pour alimenter les objets techniques. On la trouve donc très souvent au début de la chaîne de puissance d’un objet technique : 

Parcours de l’électricité dans l’objet technique

Fonction alimenter

L’énergie électrique entre souvent dans l’objet technique par un composant réalisant la fonction alimenter. On aura notamment les blocs d’alimentation (+ prise électrique), ou les panneaux solaires qui assureront cette fonction.

Fonction stocker

L’énergie électrique peut aussi être stockée, par une batterie ou des piles.

Fonction distribuer

L’énergie électrique est ensuite transmise aux autres composants de la chaîne d’énergie, en assurant la fonction distribuer.

L’objet technique peut comporter un composant comme un relais électromécanique, qui permet de couper ou laisser passer l’électricité.

L’objet technique peut aussi comporter un composant permettant de contrôler précisément le flux d’énergie transmis, comme un variateur de tension.

Fonction convertir

Enfin, le parcours de l’électricité dans l’objet technique se termine avec la fonction convertir. Le composant assurant cette fonction va convertir l’électricité en un autre type d’énergie, afin que l’objet produise une action.

On trouve les moteurs électriques (électrique vers mécanique), les lampes (électrique vers rayonnante) ou les radiateurs électriques (électrique vers thermique).

Caractéristiques de l’énergie électrique

L’énergie électrique est caractérisée par :

• sa tension U, exprimée en volt (V) ;
• l’intensité de son courant I, exprimée en ampère (A).

Le flux d’énergie échangé entre deux composants de la chaîne d’énergie est caractérisé par sa puissance P, exprimée en watt (W). Plus la puissance du flux d’énergie est élevée, plus l’action produite par l’objet technique sera importante.