Physique-chimie Troisième
Un aimant possède deux pôles, nord et sud. Les aiguilles aimantées (de petites boussoles) placées autour de lui s'orientent selon la position de ses pôles :
En 1820, le physicien danois Hans Christian Ørsted découvre qu'un circuit parcouru par un courant électrique se comporte comme un aimant. Pour le vérifier, on place une aiguille aimantée près d'une bobine (un fil de cuivre enroulé) reliée à un générateur par un interrupteur :
Interprète l'expérience. 📄 ✏️
Interrupteur ouvert : aucun courant, l'aiguille indique le nord comme d'habitude. Interrupteur fermé : le courant circule dans la bobine et l'aiguille dévie : elle est attirée comme par un aimant.
Une bobine se comporte comme un aimant, mais seulement lorsqu'elle est parcourue par un courant électrique (on parle d'électroaimant).
L'inverse est-il possible : un aimant peut-il créer de l'électricité ? On relie une bobine à un galvanomètre, un détecteur de courant très sensible dont l'aiguille est au zéro au milieu, puis on approche ou on éloigne un aimant.
Observe l'animation. 📄 ✏️
Non : il n'y a un courant que pendant le mouvement de l'aimant.
Quand l'aimant entre, l'aiguille dévie d'un côté ; quand il sort, de l'autre : le courant change de sens. Plus le mouvement est rapide, plus l'aiguille dévie : le courant est plus intense.
Pour produire du courant en continu, il suffit de faire tourner un aimant près d'une bobine (ou une bobine près d'un aimant) : c'est le principe de l'alternateur. On le fait tourner, par exemple avec une manivelle, et une lampe branchée sur la bobine s'allume.
Plus on tourne vite, plus la lampe brille. La dynamo d'un vélo fonctionne de la même façon : la roue fait tourner un petit aimant devant une bobine.
Dans une centrale thermique classique, la source d'énergie est un combustible : du charbon, du fioul ou du gaz. À Lisbonne, la Central Tejo, aujourd'hui devenue un musée, a produit l'électricité de la ville en brûlant du charbon pendant une grande partie du XXe siècle.
Utilise l'animation. 📄 ✏️
1. Le charbon brûle dans le foyer : c'est une combustion, qui libère de l'énergie thermique (chaleur). 2. Cette chaleur fait bouillir l'eau de la chaudière : l'eau liquide devient de la vapeur, très chaude et sous pression.
Refroidi par l'eau froide du fleuve, il retransforme la vapeur sortie de la turbine en eau liquide, qui retourne dans la chaudière. L'eau de la centrale circule ainsi en circuit fermé.
Il reçoit de l'énergie mécanique (la rotation de la turbine) et fournit de l'énergie électrique ; une partie est dissipée en énergie thermique (chaleur) : voir la chaîne ci-dessous.
La chaîne énergétique complète de la centrale :
Passe la souris (ou le doigt) sur la chaudière et la turbine pour les faire apparaître. À chaque conversion, une partie de l'énergie est dissipée en énergie thermique (chaleur).
Presque toutes les centrales utilisent un alternateur entraîné par une turbine. Seule la façon de faire tourner la turbine change :
| Centrale | Ce qui fait tourner la turbine | Énergie convertie |
|---|---|---|
| thermique à flamme | la vapeur, chauffée par du charbon, du fioul ou du gaz | énergie chimique |
| nucléaire | la vapeur, chauffée par la fission de l'uranium | énergie nucléaire |
| hydraulique (barrage) | l'eau qui descend du barrage | énergie de position et énergie cinétique de l'eau |
| éolienne | le vent, sur les pales | énergie cinétique du vent |
| géothermique | la vapeur, chauffée par la chaleur du sous-sol | énergie thermique |
| solaire photovoltaïque | pas de turbine ni d'alternateur : les cellules convertissent directement la lumière | énergie lumineuse |
Brûler du charbon, du pétrole ou du gaz rejette du dioxyde de carbone \(\mathrm{CO_2}\) dans l'atmosphère. Ce gaz, comme la vapeur d'eau ou le méthane, est un gaz à effet de serre : il retient une partie de la chaleur émise par la Terre. En s'accumulant, il renforce l'effet de serre et provoque le réchauffement climatique.
Toutes les centrales émettent un peu de \(\mathrm{CO_2}\) si l'on compte leur construction, mais très inégalement :
grammes de CO₂ émis par kWh d'électricité produite, sur toute la vie de la centrale
Valeurs médianes publiées par le GIEC (2014). Aucune valeur n'est à retenir : seul l'ordre de grandeur compte.
Ouvrons la discussion. 📄 ✏️
Les centrales au charbon et au gaz : elles produisent l'électricité en brûlant un combustible fossile, ce qui rejette directement du \(\mathrm{CO_2}\). Une centrale au charbon émet environ 75 fois plus qu'une éolienne pour la même énergie électrique.
Non : l'uranium n'est pas renouvelable, et elle produit des déchets radioactifs dangereux pendant très longtemps, qu'il faut stocker. Elle présente aussi un risque d'accident grave. Chaque source d'énergie a des avantages et des inconvénients.
Ils sont intermittents : pas de soleil la nuit, pas toujours de vent. Or il faut produire de l'électricité à chaque instant, au moment où on la consomme. Il faut donc des moyens de stockage (batteries, barrages…) ou d'autres centrales pour prendre le relais.
La meilleure énergie est celle que l'on ne consomme pas : éteindre les appareils en veille, isoler les logements, choisir des appareils économes, privilégier les transports en commun, le vélo ou la marche…
L'essentiel à retenir du chapitre.
| N° | Icône | Source | Renouvelable ? |
|---|---|---|---|
| 1 | |||
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| 5 |
Le phare d'un vélo est alimenté par une dynamo : quand la roue tourne, elle entraîne un petit aimant qui tourne à l'intérieur d'une bobine. Le phare ne s'allume que lorsque le vélo roule.
Il faut que l'aimant soit en mouvement pour créer un courant dans la bobine. Vélo arrêté : l'aimant ne tourne plus, plus de courant.
Oui : plus l'aimant tourne vite, plus le courant produit est intense, plus le phare brille.
Énergie mécanique (rotation de la roue) → dynamo → énergie électrique, avec de l'énergie thermique (chaleur) dissipée.
Dans un barrage, l'eau retenue en hauteur descend dans une conduite forcée, fait tourner une turbine, qui entraîne un alternateur. Voir aussi l'énergie du mouvement.
Elle possède de l'énergie de position. En descendant, celle-ci est convertie en énergie cinétique : l'eau prend de la vitesse.
Énergie de position de l'eau → énergie cinétique de l'eau → turbine → énergie mécanique → alternateur → énergie électrique (avec de l'énergie thermique dissipée).
Oui, elle est renouvelable : la pluie remplit sans cesse le lac. Elle émet très peu de \(\mathrm{CO_2}\) (environ 24 g par kWh, contre 820 g pour le charbon).