Karamö, le prof virtuelLeçon 22 sur 25
La puissance nominale
Je sais lire les indications nominales d'un appareil, prévoir son fonctionnement selon la tension reçue et calculer son intensité nominale.
- 45 min
- 5 exercices corrigés
- 1 schéma
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Définir la tension nominale et la puissance nominale d'un appareil
- Prévoir le fonctionnement d'un appareil sous-alimenté, normalement alimenté ou survolté
- Calculer l'intensité nominale In = Pn / Un
- Calculer la résistance d'un appareil chauffant et sa puissance sous une autre tension
Avant de commencer : La puissance électrique (P = U × I, P = U²/R), la loi d'Ohm, la tension efficace du secteur.
1Je découvre
Hawa tient une petite boutique de couture à Kissidougou. Le soir, quand tout le quartier allume ses lampes, l'éclairage de sa boutique devient faible et jaunâtre ; sa machine à coudre électrique tourne plus lentement. Son voisin lui dit : « C'est la baisse de tension du soir. »
Un autre jour, son frère branche le groupe électrogène, mal réglé : une ampoule neuve s'allume très fort… puis grille aussitôt.
Hawa regarde une ampoule neuve. Elle y lit : « 220 V – 60 W ». Sur la machine à coudre, une petite plaque indique : « 220 V ~ 50 Hz – 100 W ». Ces nombres semblent être une sorte de « carte d'identité » de chaque appareil.
Que signifient ces indications, et que se passe-t-il quand un appareil ne reçoit pas exactement la tension prévue ?
2Je comprends
1. Les indications nominales
Chaque appareil électrique porte, sur son culot ou sur une plaque signalétique, des indications nominales données par le fabricant :
- la tension nominale Un : la tension sous laquelle l'appareil doit fonctionner pour marcher normalement ;
- la puissance nominale Pn : la puissance que reçoit l'appareil quand il est alimenté sous sa tension nominale.
On trouve parfois aussi l'intensité nominale et la fréquence (50 Hz).
Pour l'ampoule de Hawa, « 220 V – 60 W » signifie : « branchée sous 220 V, cette lampe reçoit une puissance de 60 W et fonctionne normalement ».
2. Une expérience avec une lampe « 6 V – 3 W »
On alimente cette lampe avec un générateur réglable, et l'on mesure la tension et l'intensité.
| Tension appliquée | Éclat de la lampe | Intensité mesurée | Puissance reçue U × I |
|---|---|---|---|
| 3 V | faible, rougeâtre | 0,35 A | 1,05 W |
| 6 V | normal | 0,50 A | 3 W |
| 7,5 V | très vif (on ne prolonge pas l'essai) | 0,57 A | environ 4,3 W |
(Mesures d'un exemple de TP ; les valeurs varient d'une lampe à l'autre.)
On constate :
- sous sa tension nominale (6 V), la lampe reçoit exactement sa puissance nominale (3 W) : elle fonctionne normalement ;
- sous une tension plus faible, elle reçoit moins que sa puissance nominale : elle est sous-alimentée, elle brille peu ;
- sous une tension plus forte, elle reçoit plus que sa puissance nominale : elle est survoltée, elle risque de griller.
- Puissance reçue inférieure à Pn
- La lampe brille faiblement
- Le moteur tourne lentement, peut chauffer
- Cas de la baisse de tension du soir
- Puissance reçue supérieure à Pn
- La lampe brille trop fort et peut griller
- L'appareil s'échauffe et peut être détruit
- Cas d'un groupe électrogène mal réglé
3. L'intensité nominale
Quand un appareil fonctionne normalement, il est traversé par son intensité nominale In. On la calcule avec la relation de la puissance :
In = PnUn
Elle permet de choisir des fils et une protection (fusible, disjoncteur) adaptés.
Exemple
Calculer l'intensité nominale de la lampe « 220 V – 60 W » de Hawa, puis celle de sa machine à coudre « 220 V – 100 W ».
Lampe : In = Pn / Un = 60 / 220 ≈ 0,27 A.
Machine : In = 100 / 220 ≈ 0,45 A.
4. Appareil chauffant sous une autre tension
Pour un appareil chauffant (résistance), on peut calculer sa résistance à partir des indications nominales, puisque Pn = Un2R :
R = Un2Pn
Si l'on suppose que cette résistance ne change pas, la puissance reçue sous une tension U quelconque vaut P = U2R.
Remarque : pour une lampe à filament, la résistance augmente quand le filament chauffe : ce calcul ne donne alors qu'un ordre de grandeur.
Exemple
Une bouilloire porte « 220 V – 2 000 W ». La tension du soir descend à 198 V (baisse de 10 %). Quelle puissance reçoit-elle ?
Résistance : R = Un² / Pn = 220² / 2 000 = 48 400 / 2 000 = 24,2 Ω.
Puissance sous 198 V : P = U² / R = 198² / 24,2 = 39 204 / 24,2 = 1 620 W.
Une baisse de tension de 10 % fait perdre 380 W, soit 19 % de la puissance : l'eau chauffe nettement plus lentement.
Exemple
Même bouilloire branchée par erreur sur un réseau de 110 V.
P = 110² / 24,2 = 12 100 / 24,2 = 500 W.
La tension est divisée par 2, la puissance est divisée par 2² = 4 : 2 000 / 4 = 500 W. L'eau mettrait environ quatre fois plus de temps à chauffer.
Méthode
Pour étudier un appareil à partir de ses indications nominales :
- Je relève Un (en V) et Pn (en W) sur la plaque ou le culot.
- Je compare la tension réellement appliquée à Un : égale (fonctionnement normal), plus petite (sous-alimenté), plus grande (survolté).
- Je calcule l'intensité nominale In = Pn / Un.
- Pour un appareil chauffant, je calcule R = Un² / Pn, puis la puissance sous une autre tension P = U² / R.
5. Bien choisir ses appareils
Il faut toujours vérifier que la tension nominale de l'appareil correspond à la tension de la source :
- sur le secteur, des appareils marqués 220 V (ou « 220-240 V ») ;
- sur un kit solaire sans onduleur, des appareils prévus pour 12 V continu ;
- sur une batterie de moto de 12 V, une ampoule 12 V.
Une ampoule « 12 V – 5 W » branchée sur 220 V grille instantanément ; une ampoule « 220 V – 60 W » branchée sur une batterie de 12 V reste presque éteinte.
3Je retiens
Je retiens
Tension nominale Un : tension sous laquelle l'appareil fonctionne normalement.
Puissance nominale Pn : puissance reçue par l'appareil quand il est alimenté sous sa tension nominale.
U = Un : fonctionnement normal (P = Pn). U < Un : appareil sous-alimenté (P < Pn). U > Un : appareil survolté (P > Pn), risque de destruction.
Intensité nominale : In = Pn / Un.
Appareil chauffant : R = Un² / Pn, puis P = U² / R sous une autre tension.
Avant de brancher, on vérifie que la tension nominale correspond à celle de la source.
4Erreurs fréquentes
- Croire qu'un appareil reçoit toujours sa puissance nominale : il ne la reçoit que sous sa tension nominale.
- Penser qu'une tension deux fois plus petite donne une puissance deux fois plus petite : pour une résistance, P = U² / R, donc la puissance est divisée par 4.
- Brancher un appareil 12 V sur le secteur parce qu'« il y a une prise » : il est détruit.
- Calculer R = Pn / Un² au lieu de R = Un² / Pn : vérifie l'unité, une résistance de 0,004 Ω pour une bouilloire est absurde.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Une plaque porte « 220 V – 1 500 W ». Que signifient ces deux indications ?
Voir le corrigéCacher le corrigé
220 V est la tension nominale : l'appareil fonctionne normalement sous 220 V. 1 500 W est la puissance nominale : c'est la puissance qu'il reçoit quand il est branché sous 220 V.
2Exercice 2
Calcule l'intensité nominale de chaque appareil :
a) une lampe « 220 V – 40 W » (arrondie au centième) ;
b) une ampoule de phare « 12 V – 24 W » ;
c) un fer à repasser « 220 V – 1 kW » (arrondie au centième).
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) In = 40220 ≈ 0,18 A.
b) In = 2412 = 2 A.
c) Pn = 1 kW = 1 000 W ; In = 1 000220 ≈ 4,55 A.
3Exercice 3
Une lampe porte « 6 V – 0,3 A ».
a) Calcule sa puissance nominale.
b) Décris son fonctionnement si on la branche sur une pile de 4,5 V, puis sur un générateur de 9 V.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) Pn = Un × In = 6 × 0,3 = 1,8 W.
b) Sous 4,5 V (inférieure à 6 V), la lampe est sous-alimentée : elle reçoit moins de 1,8 W et brille faiblement. Sous 9 V (supérieure à 6 V), elle est survoltée : elle reçoit plus de 1,8 W, brille très fort et risque de griller.
4Exercice 4
(Type BEPC) Un radiateur électrique porte les indications « 220 V – 1 100 W ».
a) Que représentent ces indications ?
b) Calcule l'intensité du courant qui le traverse en fonctionnement normal.
c) Calcule la résistance de son élément chauffant.
d) Un soir, la tension du secteur descend à 200 V. Calcule la puissance reçue par le radiateur (arrondie à l'unité), en supposant sa résistance constante.
e) Le radiateur fonctionne-t-il normalement ? Justifie.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) Tension nominale 220 V : le radiateur fonctionne normalement sous 220 V. Puissance nominale 1 100 W : puissance reçue sous 220 V.
b) In = PnUn = 1 100220 = 5 A.
c) R = Un2Pn = 48 4001 100 = 44 Ω (on vérifie : R = UI = 2205 = 44 Ω).
d) P = U2R = 200244 = 40 00044 ≈ 909 W.
e) Non : la tension (200 V) est inférieure à la tension nominale, il reçoit 909 W au lieu de 1 100 W. Il est sous-alimenté et chauffe moins.
5Exercice 5
Ibrahima équipe sa case d'un kit solaire de 12 V (sans onduleur). Au marché, on lui propose trois ampoules : A « 220 V – 60 W », B « 12 V – 10 W », C « 6 V – 3 W ». Laquelle doit-il choisir ? Qu'arriverait-il avec chacune des deux autres ?
Voir le corrigéCacher le corrigé
Il doit choisir l'ampoule B, dont la tension nominale (12 V) est égale à celle du kit.
Ampoule A : sous 12 V au lieu de 220 V, elle est très fortement sous-alimentée et ne s'allume presque pas.
Ampoule C : sous 12 V au lieu de 6 V, elle est survoltée et grille rapidement.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
Choisis une réponse pour chaque question : la correction s’affiche aussitôt.
Crée ton compte élève gratuit pour cocher les leçons terminées, suivre ta progression et gagner des points au QCM.
