Énergie : puissance, stockage et énergie électrique (PCM STI2D)

L'énergie est le pôle central de la physique-chimie en STI2D. Ce matériel, basé sur trois sous-parties du programme de terminale (l'énergie et ses enjeux, l'énergie chimique et l'énergie électrique), réunit les notions que l'on retrouve dans l'étude d'un vélo à assistance électrique, d'une installation domestique ou d'un réseau de distribution.

La première partie relie énergie et puissance. La puissance instantanée est la dérivée de l'énergie par rapport au temps ; réciproquement, l'énergie mise en jeu pendant une durée donnée est l'aire sous la courbe de la puissance en fonction du temps. Les questions travaillent des courbes en paliers, la conversion entre joules et kilowattheures et l'estimation de la durée de fonctionnement d'un système autonome. Le rendement, rapport de la puissance utile à la puissance absorbée, et la réversibilité d'un convertisseur (une machine qui fonctionne en moteur puis en génératrice) complètent ce volet.

La deuxième partie porte sur les piles et les accumulateurs : distinguer un générateur non rechargeable d'un générateur rechargeable, calculer l'énergie stockée à partir de la tension et de la quantité d'électricité (en ampères-heures ou en coulombs), et exploiter les caractéristiques qui guident un choix : capacité, énergie massique, nombre de cycles de charge et de décharge.

La troisième partie traite du régime sinusoïdal : puissance apparente S = U_eff × I_eff, grandeur de dimensionnement exprimée en voltampères ; puissance active, égale à la puissance moyenne ; facteur de puissance k = P/S. On y relie le facteur de puissance et la tension de distribution aux pertes par effet Joule dans les lignes, ce qui explique le transport sous très haute tension, et l'on cite les rôles du transformateur : élever ou abaisser une tension, assurer une isolation galvanique. La protection des personnes (isolation, très basse tension, disjoncteur différentiel) et celle des matériels (fusible, disjoncteur) terminent le parcours.

Le matériel comprend un quiz de calculs et de raisonnement, des flashcards de définitions et de relations, un oral d'entraînement et une fiche de huit exercices rédigés : batterie de vélo à assistance électrique, courbe de puissance, chaîne de conversion, installation monophasée, pertes en ligne, transformateur, choix des protections et choix d'un générateur électrochimique.

• Calculer une énergie comme aire sous la courbe de la puissance
• Estimer l'autonomie d'un système alimenté par une batterie
• Calculer un rendement, une puissance apparente et un facteur de puissance
• Expliquer pourquoi l'énergie électrique est transportée sous haute tension
• Choisir un dispositif de protection des personnes ou des matériels

Programme de physique-chimie et mathématiques de terminale STI2D, domaine « Énergie » : l'énergie et ses enjeux (puissance instantanée, énergie et courbe de puissance, rendement, réversibilité), énergie chimique (piles, accumulateurs), énergie électrique (régime sinusoïdal, puissances active et apparente, facteur de puissance, transport et distribution, transformateur, protection des personnes et des matériels).