E3.2d : Sécurité électrique

Consignes de travail

Avant le cours – préparation :
Compléter la fiche de travail à l’aide de la partie Cours et vocabulaire.
Faire les exercices Application – vérification des connaissances, et compléter la fiche de travail.
Étudier les Activités complémentaires (vidéos, liens, autres fiches,…).
Identifier les questions à poser lors du cours.

Pendant le cours – compréhension :
Poser les questions identifiées lors de la préparation du cours.
Faire les activités restantes proposées.

Après le cours – apprentissage :
Apprendre par cœur le Cours et vocabulaire.
Terminer toutes les activités et exercices d’application.

Livre

chapitre 28

Cours et vocabulaire

Travail
à la maison

Les appareils d’une installation électrique domestique sont branchés en dérivation. Plus on en allume, plus l’intensité du courant qui parcourt l’installation est importante. Dans une installation électrique, une surintensité provoque une surchauffe, ce qui peut entrainer un incendie.
Il existe plusieurs systèmes capables de sécuriser le courant dans la maison :
▪ les disjoncteurs et les fusibles qui protègent localement l’installation contre une surintensité
▪ un disjoncteur de branchement, qui limite la puissance utilisée par l’abonné à la valeur souscrite lors de l’abonnement.
▪ les bornes de « mise à la terre » qui permettent de protéger les personnes des fuites de courant.

Vocabulaire : disjoncteur, coupe-circuit, fusible

Activités

activités pour comprendre

activité 3 p.372 (travail en classe)

1. Selon toi, pourquoi les coupures de courant ne concernent-elles parfois qu’une seule pièce ?

formuler une hypothèse expliquant de manière cohérente le phénomène

2. Quels dispositifs permettent d’éviter les incendies ? À quelles occasions se déclenchent-ils ?

Les dispositifs de sécurité sont les disjoncteurs divisionnaires et les fusibles. Le disjoncteur principal peut également jouer un rôle de sécurité, mais ce n’est pas sa fonction principale.

3. Comment EDF s’assure-t-il que l’on ne dépasse pas la puissance d’abonnement souscrite ?

EDF utilise un disjoncteur de branchement qui limite l’intensité maximale qui parvient à l’installation électrique. En faisant cela, EDF obtient le respect par l’abonné de la puissance à laquelle il a souscrit lors de son abonnement.

4. Quelle puissance maximale permet un fusible de 8 A ?

Une ligne d’alimentation possède une tension de 230 V. D’après la relation P = U × I, on trouve que la puissance maximale permise vaut 840 W puisque P = 230 × 8 = 840 W.

5. Quel plafond d’intensité correspond à un abonnement de 6 kW ?

Une ligne d’alimentation possède une tension de 230 V. D’après la relation I = P ÷ U on trouve que l’intensité maximale autorisée vaut 26 A puisque I = 6000W ÷ 230V = 26A.

6. Ton hypothèse est-elle confirmée ou infirmée ?

Selon l’hypothèse formulée, l’élève sera amené à conclure si elle était juste ou non. Il est possible que certains élèves aient vu juste, sans pour autant être parvenus à formuler leur hypothèse avec le vocabulaire habituel. Il faudra certainement prévoir un peu de temps pour les aider à évaluer si leur formulation était équivalente aux résultats de l’étude menée.

Exercices corrigés 8 p.377 et similaire 9 p.377 (travail en classe)

Méthode :
Pour déterminer une intensité, il faut reformuler la relation P = U × I pour obtenir I en fonction de P et U.
Un fusible protège des surintensités, sa valeur nominale correspond donc à l’intensité maximale qu’il laissera passer.
Il faut faire attention aux unités lorsqu’on utilise la formule E = P × t.
Deux jeux d’unités sont utilisés : (J) = (W) × (s) ou (kWh) = (kW) × (h).

Sur une bouilloire électrique, on trouve une plaque signalétique qui porte les indications suivantes : 1 300 W, 230 V.
1. Calcule l’intensité qui traverse la résistance chauffante de la bouilloire.
On sait que la formule de la puissance est P = U × I.
Pour déterminer l’intensité qui parcourt la résistance, il faut prendre la formule I = P ÷ U
Avec les données : P = 1 300 W et U = 230 V
Calcul : I = P ÷ U = 1300W ÷ 230V = 5,65A
Conclusion : L’intensité qui traverse la résistance chauffante vaut donc 5,65 A.
2. De quel fusible de protection est-elle équipée : 1 A, 6 A, 10 A ?
Le fusible qui protège la bouilloire doit avoir une valeur tout juste supérieure à la valeur de l’intensité du courant nécessaire pour faire fonctionner la bouilloire. La valeur du fusible supérieure à 5,65 A est 6A.
C’est donc le fusible 6 A.
3. Il faut environ 1 minute pour faire chauffer l’eau. Calcule en J puis en kWh l’énergie qu’elle convertit.
On connait l’expression de l’énergie : E = P × t.
Pour trouver l’énergie en joules, il faut exprimer la puissance en watts et la durée en secondes:
On a donc P = 1 300 W et t = 60 s (1 minute = 60 secondes).
On trouve alors E = 1300W × 60s = 78 000 J.
Pour trouver l’énergie en kilowattheures, il faut exprimer la puissance en kilowatts et le temps en heures :
On a donc P = 1,3 kW et t = 0,01667 h
(1 minute = 1 ÷ 60 heures)
On trouve alors E = 1,3 × 0,016667 = 0,021 kWh.

Exercice 9 p.377 (similaire)
Le bec électrique utilisé au laboratoire possède les indications : 230 V, 500 W.
1. Calcule l’intensité qui traverse la résistance chauffante du bec électrique.

On sait que P = U × I et il en découle que I = P ÷ U, ce qui donne I = 500W ÷ 230V = 2,17A.
L’intensité qui traverse le bec électrique vaut donc environ 2,17 A.

2. De quel fusible de protection est-il équipé : 1 A, 3 A, 5 A ?

Ce bec électrique est muni d’un fusible de 3 A car celui de 1 A grillerait et celui de 5 A n’offrirait pas une protection suffisamment importante.

3. Lors d’un TP, on l’utilise pendant un quart d’heure. Calcule en J puis en kWh l’énergie convertie.

E = P × t = 500 × (15 × 60) = 450 000 J.
Par ailleurs 500 J = 0,5 kJ et 15 min = 15 ÷ 60 h.
Donc on a aussi E = P × t = 0,5kJ × (15 ÷ 60)h = 0,125kWh.
Durant le TP, le bec électrique aura converti une énergie de 450 000 J, soit 0,125 kWh.

activités complémentaires

activité 4 p.373 (tâche complexe, travail en classe)

Le scénario d’éclairage le moins couteux pour Alex sera-t-il celui où sa chambre est la moins éclairée ? Justifie ta réponse en t’appuyant sur des calculs de cout et d’énergie lumineuse obtenue.

1. On peut calculer l’énergie électrique utilisée par une lampe en utilisant la relation E = P × t. On utilisera les unités de puissance et de durée d’EDF du document 1 : le kW et l’h.
2. À chaque scénario correspond une durée de fonctionnement différente pour chaque lampe.
• Scénario 1 : L1 fonctionne 3 h et 30 min, soit 3,5 h ; L2 fonctionne 4 h et 30 min soit 4,5 h.
• Scénario 2 : L1 fonctionne 3 h et 30 min soit 3,5 h ; L2 ne fonctionne pas.
• Scénario 3 : L1 ne fonctionne pas ; L2 fonctionne 3h et 30 min, soit 3,5 h.
3. • Pour le scénario 2, on a : E₂ = E_L1 + E_L2 qui donne E₂ = 60W × 3,5h + P₂ × 0h = 0,060kW × 3,5h = 0,210 kWh.
• Pour le scénario 3, on a : E₃ = E_L1 + E_L2 qui donne E₃ = P₁ × 0h + 12W × 3,5h = 0,012kW × 3,5h = 0,042 kWh.
C’est donc le scénario 3 qui est le moins couteux en énergie électrique.

activités PCCL

activité 41 puissance – coupe-circuit – surintensité

Applications

vérification des connaissances

Travail
à la maison

exercices 2,4,10,2 3 p.376 >

exercices 31,32 p.297 >

problème

Anna organise une fête et voudrait profiter de sa piscine. Il ne fait pas très beau et l’eau est à 20 °C (température de l’air). Elle aimerait bien au moins 3 °C de plus ! Elle met en marche la pompe à chaleur.

Descriptif de la pompe à chaleur.
Pour chauffer la piscine, une pompe à chaleur prélève de la chaleur dans le sol et la transfère à l’eau. La chaleur du sol est « gratuite » mais il faut de l’énergie électrique pour l’extraire.
▪ Puissance convertie (pour faire tourner la pompe) : 790W.
▪ Puissance restituée (pour chauffer l’eau) : 4 500 W.
En une heure, la pompe à chaleur convertit 790 Wh et peut transférer 4 500 Wh à l’eau de la piscine.

L’énergie nécessaire pour réchauffer 1 m³ d’eau d’un degré °C est de 1 200 Wh.

Sera-t-elle prête à temps sachant que la fête est dans 12 h ?

▪ Calcul du volume d’eau :
La piscine est un parallélépipède rectangle, son volume V est donc la multiplication de ses trois dimensions.
Soit : V = Profondeur × Longueur × Largeur = 1,2 × 4 × 3 = 14,4 m³. Il faut réchauffer un volume d’eau de 14,4 m³.

▪ Calcul de l’énergie nécessaire pour réchauffer l’eau de 3 °C :
Il faut 1 200 Wh pour réchauffer 1 m³ d’un degré celsius, il faut donc : 1 200 × 3 × 14,4 = 51 840 Wh pour réchauffer l’eau de la piscine de 3 °C.

▪ La pompe à chaleur est-elle assez puissante pour convertir cette énergie en 12 heures ?
On sait que E = P × t, avec dans notre cas P = 4500 W et t = 12 h. E = 54 000 Wh
La pompe à chaleur peut convertir 54 000 Wh en 12 heures (54 000 Wh > 51840 Wh). La pompe à chaleur est capable de convertir assez d’énergie en 12 h pour chauffer la piscine de 3 °C. Anna pourra donc organiser sa fête.