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Exercices – Énergie électrique

Chapitre 3 | Première STI2D — spécialité Physique-chimie et mathématiques | Physique-Chimie

Dernière mise à jour : 21 octobre 2026

Exercices progressifs corrigés. Cherche chaque exercice avant de dérouler la correction. On prendra \(\sqrt2\approx1{,}41\).

Exercice 1 — Symboles et branchement des appareils

(a) Donner le rôle (générateur ou récepteur) d'une batterie, d'un moteur qui tourne et d'une résistance chauffante.
(b) On veut mesurer l'intensité traversant une lampe et la tension à ses bornes. Indiquer, pour chaque appareil, s'il se branche en série ou en dérivation : ampèremètre ; voltmètre ; oscilloscope.

(a) Batterie → générateur (elle fournit l'énergie) ; moteur et résistance chauffante → récepteurs (ils reçoivent l'énergie et la convertissent, en mouvement et en chaleur).

(b) Ampèremètre → en série (il doit être traversé par le courant de la lampe). Voltmètre → en dérivation (aux bornes de la lampe). Oscilloscope → en dérivation également (il visualise la tension).

Exercice 2 — Période et fréquence

(a) Le secteur a une fréquence \(f=50\ \text{Hz}\). Calculer sa période \(T\) en ms.
(b) Un signal a une période \(T=2{,}5\ \text{ms}\). Calculer sa fréquence \(f\) en Hz.
(c) Un oscilloscope affiche un motif complet toutes les 8 divisions, avec un réglage de \(0{,}5\ \text{ms}\) par division. En déduire \(T\) puis \(f\).

(a) \(T=\dfrac{1}{f}=\dfrac{1}{50}=0{,}020\ \text{s}=20\ \text{ms}\).

(b) \(f=\dfrac{1}{T}=\dfrac{1}{2{,}5\times10^{-3}}=400\ \text{Hz}\).

(c) \(T=8\times0{,}5=4{,}0\ \text{ms}\), donc \(f=\dfrac{1}{4{,}0\times10^{-3}}=250\ \text{Hz}\).

Exercice 3 — Valeur efficace d'une tension sinusoïdale

Une tension sinusoïdale a une valeur maximale (amplitude) \(U_{max}=12\ \text{V}\).
(a) Calculer sa valeur efficace \(U_{eff}\).
(b) Réciproquement, un voltmètre en position efficace indique \(U_{eff}=6{,}0\ \text{V}\) pour une autre tension sinusoïdale. Calculer sa valeur maximale \(U_{max}\).
(c) Quelle est la valeur moyenne d'une tension sinusoïdale de valeur moyenne nulle ?

(a) \(U_{eff}=\dfrac{U_{max}}{\sqrt2}=\dfrac{12}{1{,}41}\approx8{,}5\ \text{V}\).

(b) \(U_{max}=U_{eff}\times\sqrt2=6{,}0\times1{,}41\approx8{,}5\ \text{V}\).

(c) Sa valeur moyenne est nulle (\(U_{moy}=0\)) : c'est un signal alternatif, autant de positif que de négatif sur une période.

Exercice 4 — Loi des nœuds et loi des mailles

(a) À un nœud, un courant \(I=2{,}0\ \text{A}\) se sépare en trois branches parcourues par \(I_1=0{,}7\ \text{A}\), \(I_2=0{,}5\ \text{A}\) et \(I_3\). Calculer \(I_3\).
(b) Un générateur \(E=9{,}0\ \text{V}\) alimente trois résistors en série. On mesure \(U_1=2{,}0\ \text{V}\) et \(U_2=3{,}5\ \text{V}\). Calculer la tension \(U_3\) aux bornes du troisième.

(a) Loi des nœuds : \(I=I_1+I_2+I_3\), donc \(I_3=I-I_1-I_2=2{,}0-0{,}7-0{,}5=0{,}8\ \text{A}\).

(b) Loi des mailles : \(E=U_1+U_2+U_3\), donc \(U_3=E-U_1-U_2=9{,}0-2{,}0-3{,}5=3{,}5\ \text{V}\).

Exercice 5 — Loi d'Ohm

Un résistor est traversé par un courant \(I=0{,}15\ \text{A}\) sous une tension \(U=6{,}0\ \text{V}\).
(a) Calculer sa résistance \(R\).
(b) On le branche maintenant sous \(U'=9{,}0\ \text{V}\). Calculer la nouvelle intensité \(I'\).
(c) La caractéristique \(U=f(I)\) de ce dipôle est une droite passant par l'origine. Que représente sa pente ?

(a) \(R=\dfrac{U}{I}=\dfrac{6{,}0}{0{,}15}=40\ \Omega\).

(b) \(I'=\dfrac{U'}{R}=\dfrac{9{,}0}{40}=0{,}225\approx0{,}23\ \text{A}\).

(c) La pente de la droite \(U=f(I)\) vaut la résistance \(R\) (en Ω). C'est ce qui valide le modèle du conducteur ohmique.

Exercice 6 — Effet Joule

Une résistance chauffante \(R=20\ \Omega\) est parcourue par un courant continu \(I=3{,}0\ \text{A}\).
(a) Calculer la tension \(U\) à ses bornes.
(b) Calculer la puissance \(P\) dissipée par effet Joule (par deux méthodes au choix).
(c) Sous quelle forme d'énergie l'énergie électrique reçue est-elle convertie ?

(a) \(U=R\,I=20\times3{,}0=60\ \text{V}\).

(b) \(P=U\,I=60\times3{,}0=180\ \text{W}\) ; on vérifie \(P=R\,I^2=20\times(3{,}0)^2=20\times9{,}0=180\ \text{W}\).

(c) Elle est convertie en énergie thermique (chaleur) : c'est l'effet Joule, utile dans un appareil de chauffage.

Exercice 7 — Puissance et énergie électriques

Un moteur électrique fonctionne sous une tension \(U=48\ \text{V}\) en absorbant un courant \(I=5{,}0\ \text{A}\) pendant \(30\) minutes.
(a) Calculer la puissance électrique \(P\) absorbée.
(b) Calculer l'énergie électrique \(E\) consommée, en joules puis en Wh.
(c) Le moteur reçoit-il ou fournit-il de l'énergie ? Quel est le signe de \(P\) en convention récepteur ?

(a) \(P=U\,I=48\times5{,}0=240\ \text{W}\).

(b) \(\Delta t=30\ \text{min}=30\times60=1800\ \text{s}\). \(E=P\cdot\Delta t=240\times1800=4{,}32\times10^{5}\ \text{J}\).
En wattheures : \(E=240\ \text{W}\times0{,}50\ \text{h}=120\ \text{Wh}\) (on vérifie \(120\times3600=4{,}32\times10^{5}\ \text{J}\)).

(c) Le moteur est un récepteur : il reçoit l'énergie électrique (\(P\gt 0\) en convention récepteur) pour la convertir en énergie mécanique.

Problème type — bilan électrique d'un radiateur soufflant

Un radiateur soufflant comporte une résistance chauffante alimentée par le secteur, de tension efficace \(U_{eff}=230\ \text{V}\) et de fréquence \(f=50\ \text{Hz}\). En fonctionnement, un ampèremètre en position efficace indique \(I_{eff}=8{,}0\ \text{A}\).

(a) Calculer la période \(T\) du secteur et la valeur maximale \(U_{max}\) de la tension.
(b) L'appareil est un dipôle purement résistif. Calculer la résistance \(R\) de l'élément chauffant.
(c) Calculer la puissance moyenne \(P\) fournie au radiateur.
(d) Le radiateur fonctionne \(3{,}0\) heures. Calculer l'énergie électrique consommée en kWh puis en joules.
(e) Le prix du kWh est \(0{,}20\) €. Calculer le coût de ce fonctionnement.

(a) Période : \(T=\dfrac{1}{f}=\dfrac{1}{50}=0{,}020\ \text{s}=20\ \text{ms}\).
Valeur maximale : \(U_{max}=U_{eff}\times\sqrt2=230\times1{,}41\approx325\ \text{V}\).

(b) Dipôle résistif : loi d'Ohm en valeurs efficaces, \(R=\dfrac{U_{eff}}{I_{eff}}=\dfrac{230}{8{,}0}=28{,}75\approx29\ \Omega\).

(c) Puissance moyenne : \(P=U_{eff}\,I_{eff}=230\times8{,}0=1840\ \text{W}\approx1{,}8\ \text{kW}\).

(d) \(E=P\cdot\Delta t=1{,}84\ \text{kW}\times3{,}0\ \text{h}=5{,}5\ \text{kWh}\).
En joules : \(5{,}52\ \text{kWh}\times3{,}6\times10^{6}=1{,}99\times10^{7}\ \text{J}\approx2{,}0\times10^{7}\ \text{J}\).

(e) Coût \(=5{,}5\ \text{kWh}\times0{,}20\ \text{€/kWh}\approx1{,}1\ \text{€}\).