Apprendre comme on aime

Energie électrique
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Exercices

1/ Les récepteurs ont besoin d'énergie pour fonctionner.

Comprendre

Conversion énergétique lampe

Une ampoule va convertir l'énergie électrique en lumière et en chaleur. Un moteur électrique va transformer l'énergie électrique en mouvement(énergie mécanique). Un récepteur reçoit de l'énergie électrique et la transforme en une autre forme d'énergie.

2/ Un générateur transfère de l'énergie électrique aux récepteurs qui la convertissent en d'autres formes.

Comprendre

transfert d'énergie

Un générateur produit de l'énergie électrique. Il peut la produire à partir d'une autre source d'énergie ou transformer l'énergie électrique qu'on lui transmet. Une lampe transformera l'énergie reçue en lumière et en chaleur
Un moteur transformera l'énergie reçue en mouvement(énergie mécanique) et en chaleur
Une résistance transformera l'énergie reçue en chaleur


Les récepteurs transforment souvent une partie de l'énergie électrique en chaleur inutile car ce ne sont pas des convertisseurs parfaits.

3/ Un alternateur transforme l'énergie mécanique en énergie électrique. L'alternateur est la partie commune à toutes les centrales électriques.

Comprendre

diagramme conversion énergie alternateur

Le système le plus simple qu’on ait trouvé pour produire de l'énergie est de créer de la chaleur pour la transformer en énergie mécanique, c’est-à-dire en mouvement.
Mais pour fournir la population en énergie, le plus simple reste l’électricité (car elle est facile à transporter). Il nous faut donc un appareil qui transforme l’énergie mécanique en courant électrique:l'alternateur (inventé par Nikola Tesla vers 1884) .

L’alternateur se retrouve dans toutes les centrales électriques du monde et c'est ce même principe qui est utilisé dans les dynamos des vélos quand elle transforment une partie de l'énergie de la rotation de la roue en électricité nécessaire pour faire briller les lampes.

Voyage en électricité

L'alternateur transforme l'énergie mécanique en énergie électrique. Il est constitué d'un rotor (la partie qui tourne) et d'un stator (la partie immobile). En avril 1820, H Oersted découvre que le passage d'un courant électrique dans un fil arrive à dévier une boussole, donc réussi à créer un champ magnétique.
En 1831, Michael Faraday découvre qu'un champ magnétique engendre un courant électrique et crée la première génératrice électrique. Pour produire un courant électrique, il suffit donc de faire varier le champ magnétique à proximité d'un fil conducteur.

Appliquer

constitution d'un alternateur

Le rotor d'un alternateur est donc contitué d'aimants qui font varier le champ magnétique lorsqu'il tourne. Cela produit un courant électrique dans les fils électriques constituant le stator. Plus le rotor tourne vite, plus le courant électrique crée est important et sa fréquence est élevée.
Le courant produit par un alternateur est un courant alternatif car il va aller tantôt dans un sens, tantôt dans l'autre. C'est le mouvement des aimants qui va faire bouger les électrons dans les fils de cuivre ; comme les aimants se rapprochent et s’éloignent, les électrons vont aller dans un sens puis dans l’autre.
Si l’on considère un sens positif, vers le plus de la pile, le sens négatif sera vers le moins de la pile. Ce qui fait que parfois, les électrons iront dans le sens positif, parfois dans le sens négatif. C’est pour cela que le courant créé sera alternatif, il va alterner entre les valeurs positives et négatives au cours du temps.

Film:l'alternateur Fontionnement d'un alternateur et principe fonctionnement barrage
Faire un diagramme énergétique

Les flèches ont une taille proportionnelle à l'énergie qu'elles représentent.
On représente les convertisseurs d'énergie par des ellipses ou des rectangles dans lesquels on marque leur nom.
Il y a autant d'énergie qui rentre dans un convertisseur que d'énergie qui en sort

3/ Exercices

Comprendre

3/ Coupure d'electricitéAnimation 
(10 mn)

Il y a une coupure d'électricité dans ton appartement. Tu disposes d'un vélo d'appartement, d'une dynamo, d'une ampoule et d'une petite sœur dynamique ; tu aimerais bien les utiliser pour continuer à lire le bouquin que tu étais confortablement en train de lire.

Fais un diagramme d'énergie pour expliquer le montage que tu as réalisé en vous aidant de l'animation.

Un diagramme d'énergie représente les transferts d'énergie par des flèches entre les différents objets où elle transite. Ces objets seront représentés par des cercles. On indiquera le nom des objets dans ces cercles et la forme sous laquelle se trouve l'énergie au dessus des flèches.

Ici de l'énergie chimique est donnée aux muscles de la petite fille qui la transforment en énergie mécanique avec pas mal de dégagement de chaleur. Cette énergie mécanique est transmise au vélo qui la transmet à l'alternateur qui la change en énergie électrique. Cette énergie électrique est passée à la lampe qui le fait muter en énergie thermique (chaleur) et en énergie lumineuse.

4/ Les sources d'énergie non renouvelables sont limitées contrairement aux sources d'énergie renouvelable.

Comprendre

carte mentale sources Energie electrique mondiale etiquette énergie economeSchéma heuristique à compléter

Les énergies fossiles (pétrole, gaz, charbon) sont issues de la lente dégradation des végétaux et animaux ensevelis dans le sol. Certains atomes du sol (tel l'Uranium) ont la propriété de fournir de l'énergie en éclatant en plusieurs atomes plus petits, c'est la fission nucléaire.Toutes ces énergies sont contenues de façon limitées dans le sol et vont bientôt voir leur réserves épuisées.Les énergies renouvelables sont des énergies qui n'ont pas de stock limité.Le seul obstacle à leur utilisation est leur coût plus élevé.

5/ La puissance d'un appareil(P) est l'énergie que transforme cet appareil en une seconde. Elle se mesure en Watt (W).

Comprendre

Plus un appareil sera puissant, plus il pourra effectuer rapidement une tâche.Un grille-pain de 200W chauffera dix fois moins vite qu'un grille-pain de 2000W. L'unité de l'énergie doit son nom à James Watt, inventeur de la machine à vapeur.La puissance est équivalente à l'énergie que peut déployer un appareil en une seconde.

Appliquer

La puissance s'exprime habituellement en:
milliWatt (0,001 Watt)
kiloWatt (1000 Watt)
MegaWatt (1 000 000 Watt)

5/ Exercices

Comprendre

5/ Jeu: puissance quotidienneMatériel et protocole 
(35 mn)
4 petits carrés de papier par joueur
1 feuille et des stylos

Ce jeu doit familiariser les joueurs avec la notion de puissance et ses unités. On distribue tout d'abord à chaque joueur 4 morceaux de papier sur lequel il indiquera au recto un appareil et au verso sa puissance (en Watt) grâce au valeurs données ci-dessous.
On mélangera et distribuera ensuite 4 cartes à chacun, recto visible (s'il y a plusieurs groupes, on pourra échanger les paquets de cartes). Les joueurs vont poser tour à tour leur carte dans l'ordre de puissance croissante. A chaque fois qu'un joueur pose une carte, les autres joueurs vont parier pour dire s'ils pensent que le joueur venant de poser a raison ou tort. Ceux qui gagnent leur pari gagnent un point que l'on va additionner sur une feuille récapitulative.
La partie s'arrête quand toutes les cartes ont été jouées et on compte alors les points de chaque joueur.

Cuisine

Réfrigérateur 50L100 WRéfrigérateur 200L + freezer300 WHotte aspirante150 WMixer200 W
Plaque électrique 2000 WFour électrique2500 WFour micro-onde800 WFontaine à eau chauffante/rafraichissante400 W
Cafetière1000 WGrille pain1000 WLave vaisselle1500 W

Autre Electroménager et chauffage

Machine à laver3000 WSèche linge3000 WFer à repasser1000 WMachine à coudre100 W
Aspirateur800 WTondeuse électrique1500 WChauffe-eau 2000 WConvecteur électrique2000 W
Circulateur chauffage central60 WSèche-cheveux600 WRasoir électrique20 W

Multimédia et bureautique 

Chargeur de mobile5WTV cathodique10W (veille)TV LCD5 W (veille)TV plasma5 W (veille)
Ordinateur + écran cathodique50 W (veille)Ordinateur portable5 W (veille)Imprimante-photocopieuse10 W (veille)Scanner10 W (veille)
Routeur WIFI5 WRadio-réveil10 WVentilateur à pied 50 WClimatisation500 W

Transport

Train100kWVoiture 400kWTracteur60kWAvion2MW

Industrie

Centrale nucléaire1GWCentrale thermique1GWCentrale hydraulique300MWEolienne 2MW
photovoltaïque d'un m² en plein soleil.120WPuissance solaire/m² en été 1100 WCorps humain100W

6/ La puissance est le produit de la tension et de l'intensité. P=U.I où U(la tension) et I (l'intensité) sont des valeurs efficaces.

Comprendre

Voyage en électricité:Tension et transport d'énergie électrique

Pour connaitre l'énergie électrique donnée à un récepteur en une seconde, on multiplie le nombre d'électrons passant par seconde (l'intensité) par l'énergie que chacun d'eux transporte(la tension).On peut donc utiliser un voltmètre et un ampèremètre ou un Wattmètre qui multiplie directement les deux valeurs.

Imaginons deux grille-pains :un de 500W et un de 1000W . Le deuxième pourra griller tes tartines en deux fois moins de temps que le premier (ou pourra griller deux fois plus de tartines dans le même temps). Une grande puissance permet donc de déployer beaucoup d'énergie en peu de temps..

Appliquer

transformateur

Si on veut calculer la puissance, on utilisera P = U x I
si on veut calculer l'intensité, on va utiliser I = P/U.
Si on veut calculer la tension, on va utiliser U = P/I
Le terme seul à gauche du signe égal correspond à la grandeur que l'on veut calculer.

6/ Exercices

Comprendre

6/ Prise de courant 
(5 mn)

Sur l'emballage d'une prise de courant, on lit « 230 V ; 16 A ».

Que signifient ces indications ?

230 V indique la tension nominale que l'on pourra trouver en sortie de la prise et 16 A indique l'intensité maximale qui pourra la traverser sans problème d'échauffement.

Calculer la puissance maximale supportée par cette prise.

P = U.I = 230 x 16 = 3680W

Appliquer

6/ Et que ça chauffe 
(7 mn)

Une multiprise électrique porte l'indication Pmax inférieure à 3500W. Elle est alimentée sous 230V

Les appareils domestiques sont-ils branchés en série ou en dérivation sur cette multiprise ?

Les appareils sont troujours branchés en dérivation pour éviter que l'extinction de l'un provoque celle des autres et que chaque appareil soit alimenté sous 230V

Sur cette multiprise, on branche un fer à repasser de 1900 W, un radiateur de 3100 W et une cafetière de 950 W.

Quelle est la puissance reçue par la multiprise quand ces appareils fonctionnent? Commenter ce résultat.

P = 1900 + 3100 + 950 = 5950W , ce qui est bien supérieur à la puissance maximale admise par la multiprise.

Quelle intensité efficace a-t-on dans chacun de ces appareils branchés lorsqu'ils fonctionnent ?

P = U.I => I = P/U =1900W/230V = 8,3 A pour le fer,3100W/230V = 13,5 A pour le radiateur et 950W/230V = 4,13 A pour la cafetière

Calculer alors l'intensité efficace qui traverse la multiprise.

I = 8,3 A + 13,5 A + 4,1 A = 25,93 A

Quelle intensité efficace maximale est supportée par cette multiprise ?

Normalement, la prise devrait supporter I= P/U = 3500/230 = 1,52 W

Que va-il alors se passer si tous les appareils branchés fonctionnent en même temps ?

La trop grande intensité va provoquer un échauffement des fils(effet Joule) qui pourrait faire fondre les fils et provoquer un incendie.

6/ Lampes magiques 
(6 mn)
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Deux lampes L1 et L2 sont alimentées en dérivation par un générateur de 6 V . Sur le culot de la lampe L1 on peut lire « 6 V ; 6 W » et sur le culot de la lampe L2 on lit « 6V ; 2W ».

Fais un schéma du montage.

Comment appelle-on ces valeurs ? Que signifient-elles ?

Ce sont respectivement les valeurs nominales de tension et de puissance dans les lampes

Laquelle de ces deux lampes brillera le plus ? Justifier

La lampe la plus puissante (L1) peut utiliser trois fois plus d'énergie par seconde que L2, elle brillera donc davantage.

Calculer l'intensité efficace qui traverse L1.

P = U.I donc IL1= P/U = 6W/6V = 1 A

Calculer l'intensité efficace qui traverse L2.

P = U.I donc IL2 = P/U = 2W/6V = 0,33 A

Quelle est l'intensité dans la branche principale (celle du générateur) ?

I = IL1 + IL2 = 1,33A

6/ Pas efficace mon transformateur ?Image 
(6 mn)
transformateur enroulement puissance

Dans l'enroulement primaire de ce transformateur circule un courant de 20A sous 20 kV. On mesure à l'enroulement secondaire une intensité de 980 mA et de tension 0,2 MV .

Quelle est la puissance dans l'enroulement primaire (Pp)?

Pour calculer la puissance, il faut multiplier des Volts par des Ampères et au besoin, faire les conversions vers ces unités.
Pp = U.I = 20kV . 20A = 20 000V . 20A = 400 000W =400 kW.

Quelle est la puissance dans l'enroulement secondaire (Ps)?

Ps = 0,4MV . 950mA = 400 000V . 0,980A = 392 000W = 392 kW

Le rendement permet de connaître l'efficacité d'un appareil. Cela permet de savoir quelle proportion de l'énergie donnée à l'appareil est utile. On divise souvent la puissance donnée par un appareil par la puissance qu'on lui a donné.Pour calculer le rendement d'un transformateur, on divise la puissance dans le secondaire par la puissance dans le primaire.

Quelle est la formule pour calculer le rendement ?

D'après le texte, le rendement se calcule en divisant la puissance de sortie par la puissance d'entrée.On peut sonc écrire : rendement= Ps/Pp

Calcule le rendement et exprime-le en pourcentage.

rendement= Ps/Pp = 392 000W / 400 000W = 0,98 = 98% .Mon transformateur a donc un très bon rendement (le rendement maximum étant bien sûr de 100%).

6/ Lasers trop puissants 
(8 mn)

Trois lasers sont testés pour découper des feuilles de PVC (polychlorure de vinyle). Ils ont des puissance de 900mW ; 1,5kW ; 0,81MW.

Convertis ces trois puissances en Watt afin de pouvoir les comparer.

900mW = 0,9W ; 1,5kW = 1500W ; 0,81 MW = 810 000W

Pour comparer deux valeurs, on divise la plus grande par la plus petite.

Le plus gros des lasers est combien de fois plus puissant que le petit?

0,81MW / 900mw = 810 000W/0,9W = 900 000
Il est 900 000 fois plus puissant que le plus petit laser.

Analyse

6/ Transfo Industries© 
(20 mn)

Vous êtes représentant chez Transfo Industries et vous répondez à un appel d'offres venant du Yarienistan. Ils développent leur réseau électrique et ils se demandent s'il est réellement utile d'acheter des transformateurs.

Votre travail sera d'expliquer le plus clairement possibles les avantages du transformateur pour le transport du courant. Votre compte-rendu comprendra également un diagramme énergétique pour expliquer les conversions d'énergie et le rendement du transformateur.( η = Psortie / Pentrée ; si le rendement est supérieur à 90%, il est considéré comme très bon)

Aide

Quel est le problème lorsque l'on achemine l'électricité sur une longue distance?

L'effet Joule provoque des pertes d'énergie lors du transport de l'électricité.

Comment fait-on en France pour régler ce problème?

Faire passer l'électricité dans des fils à haute tension permet de diminuer les pertes par effet Joule.

De quel appareil a-t-on besoin? Quel est son rendement?

Le transformateur permet d'augmenter ou de diminuer la tension. Il a un très bon rendement, on peut le vérifier grâce aux mesures.

7/ L'énergie est la puissance multipliée par le temps L'énergie électrique (E) transférée pendant une durée t à un appareil de puissance P est donné par E=P.t L'énergie s'exprime en Joule(J).

Comprendre

facture électricité energie

La puissance est l'énergie par seconde donc si on multiplie la puissance d'un appareil par le nombre de secondes de fonctionnement, on obtient l'énergie consommée. James Prescott Joule est le premier physicien ayant étudié expérimentalement les transformations de l'énergie, on a donc donné son nom à l'unité de l'énergie. Toutes les énergies se mesurent en Joules.

Voyage en électricité:P=UI et énergie

Il existe une autre unité d'énergie très utilisé par les fournisseurs d'électricité: le Watt-heure. C'est l'énergie consommée par un appareil de 1Watt pendant une heure. Pour obtenir :
des Watt-heure, on multiplie des Watt par des heures
des Joules, on multiplie des Watt par des secondes. Comme toutes les unités, on peut mettre des préfixes pour indiquer l'unité: 1kiloJoule = 1000 J et 1kiloWatt-heure = 1000 Watt-heure

7/ Exercices

Appliquer

7/ Eolienne volante 
(35 mn)

En Partenariat avec l’autorité de l’énergie de l’Alaska, la start-up américaine Altaeros Energies vient de mettre au point une éolienne volante révolutionnaire baptisée Aérostat. Installée dans un ballon d’hélium, elle est capable de s’envoler jusqu’à 300 mètres de haut pour capturer les vents d’altitudes plus constants et puissants.
Grâce à ce procédé l’aérostat est capable de fournir deux fois plus d’énergie qu’une éolienne classique et pour la moitié du prix actuel.Moins cher à la production, l’aérostat est totalement autonome et est aussi mobile sur la terre comme dans le ciel grâce à une plateforme terrestre véhiculée.En plus de son aspect économique, cette éolienne a pour but de fournir de l’énergie aux régions sinistrées, aux pays en développement, aux bases militaires et aux régions isolées.

Quel est l'appareil contenu dans l'éolienne volante qui permet de transformer l'énergie du vent en électricité ?

C'est l'alternateur qui transforme l'énergie mécanique en énergie électrique

Explique comment on peut créer un courant électrique grâce à un mouvement et du matériel très simple.

Un mouvement d'aimant aux alentours d'une bobine crée une tension aux bornes de celle-ci, c'est le phénomène d'induction.

Un prototype de cet éolienne a été placé au-dessus d'un centre de recherche au pôle Sud. L'énergie fournie est utilisée pour le chauffage grâce à des radiateurs électriques.

Représente les transferts d'énergie du vent jusqu'à l'énergie thermique grâce à un diagramme énergétique.

Emécanique =>(Alternateur) => Eélectrique => (Radiateurs) => Ethermique (Chaleur)

Explique pourquoi le vent est une énergie renouvelable et cite une source d'énergie non-renouvelable.

Le vent est une ressource illimité car on peut le capter, il y en aura toujours. Le pétrole, le gaz, le charbon et l'uranium sont présents en quantités limités dans le sol, ce sont donc des sources d'énergie non-renouvelable

Les données constructeurs indiquent « Maximum P = 200kW ; U= 20kV »

Donne la formule qui permet de calculer l'intensité en fonction de la puissance et de la tension.

P= U.I donc I=P/U

Calcule l'intensité délivrée par l'éolienne quand elle tourne à plein régime.

I= P/U = 200kW/20kV = 200 000W/20 000V = 10A

Donne la formule qui permet de calculer l'énergie électrique d'un appareil dont on connait la puissance.

E = P.t

Quelle est l'énergie maximum que l'éolienne peut produire en un jour ?Calcule-la et exprime-la en notation scientifique.

E = P.t = 200 000 x (24h/jour x 3600s/h)= 17 280 000 000 J = 17,28.109J

Un foyer français consomme en moyenne 51 000 000 Joules (51x106J) par jour .

Combien l'éolienne peut-elle alimenter de foyer au maximum ?

Sur combien de foyer peut être répartie l'énergie de l'éolienne?
17,28.109J / 51.106J =340 foyers

Analyse

7/ Train solaire 
(25 mn)
À bord, rien ne le distingue d'un autre convoi. Mais à l'extérieur, ce sont des wagons d'un genre nouveau, seulement alimentés par les rayons du soleil et non à l'électricité issue des centrales nucléaires ou au gaz. Pour la première fois, lundi 6 juin, ce "train vert" a roulé en Europe, sur 25 km, près d'Anvers, dans le nord de la Belgique. La raison de cet exploit : 16 000 panneaux photovoltaïques installés sur le toit du tunnel ferroviaire, de 3,4 km de long, de la ligne à grande vitesse qui relie Anvers à Amsterdam. Depuis, tous les trains effectuant la traversée d'Anvers circulent grâce à l'électricité produite localement.

Au départ, le tunnel, construit dans une réserve naturelle, avait un tout autre objectif écologique : éviter d'abattre des arbres protégés dont la chute aurait pu interrompre le trafic. Plus tard, ces dalles sont apparues idéales pour accueillir des panneaux solaires. D'une surface de 50 000 mètres carrés, soit environ 8 terrains de football, elles produisent en moyenne 12 MWh par jour en étant éclairées 12 heures par jour.

"Pour les entreprises ferroviaires, les panneaux solaires sont le meilleur moyen pour réduire l'empreinte carbone des trains. Vous pouvez par ailleurs utiliser des espaces qui n'ont pas d'autre valeur économique et les projets peuvent être livrés en moins d'un an dans la mesure où l'énergie solaire est moins critiquée que l'éolien", déclare dans les colonnes du Guardian Bart Van Renterghem, un autre responsable d'Enfinity.

L'électricité produite par le "tunnel du soleil" en un an ne correspondra toutefois qu'à celle consommée par l'ensemble des trains belges en un jour (car les panneaux ne convertissent qu'une partie du rayonnement en électricité, les rayonnements non-utilisés étant convertis en chaleur). Mais pour les concepteurs du projet, davantage de surfaces comme les toits de gares ou de hangars et les nombreux terrains vagues qui jouxtent les voies, pourraient être utilisées afin d'installer des panneaux.


D'après: http://ecologie.blog.lemonde.fr

À l'aide des documents et de vos connaissances, répondez aux questions suivantes :

 

Donnez la signification en toutes lettres du symbole MWh utilisé dans le document et précisez à quelle grandeur il fait référence.

MW signifie MégaWatt, ce qui correspond à un million de Watt et le h signifie heure. Ce sont donc des MégaWatt-heure (et non des MégaWatt par heure) dont il est question. C'est une des unité de l'énergie très utilisée pour l'énergie électrique.

Calculez la puissance moyenne des panneaux solaires installés sur le tunnel.

La puissance peut être calculée grâce à l'énergie et le temps. E = P.t donc P =E/t = 12 MW.h / 12 h = 1 MW

Identifiez deux sources d'énergie renouvelables et deux sources d'énergie non renouvelables citées dans le document.

Les énergies renouvelables sont celles qui ne sont pas présentes en quantités finies: l'énergie solaire et l'éolien en font partie. Les énergies non renouvelables citées sont les énergies nucléaires et gaz.

Expliquez et commentez la phrase «les panneaux solaires sont le meilleur moyen pour réduire l'empreinte carbone des trains ».

L'utilisation de l'énergie solaire remplaçant le gaz ou le pétrole, on ne brûle plus de combustible et cela n'émet plus de CO2. On parle d'empreinte carbone pour désigner la production de CO2 car celui-ci est un gaz à effet de serre qui contribue au réchauffement climatique. Des mesures sont donc prises pour limiter l'émission de ce type de gaz.

7/ La cuisine de Clémentine 
(25 mn)

Vous êtes technicien électrique. Votre amie Clémentine vous contacte pour vous demander quelques conseils.

Dépenses
Clémentine est en train de refaire sa cuisine. Elle s'interroge sur les dépenses en électricité sur un mois et elle a décidé qu'elle pouvait dépenser 44€ en électricité pour la cuisine au maximum chaque mois (30 jours). Elle a rangé les objets du plus utile au moins utile dans ce tableau.
Prix du Joule = 0,00000003692€ = 3,692 x 10-8 €

Quels sont les objets qu'elle va choisir de garder ?Justifie ta réponse.

Un tableur peut être utile pour calculer l'énergie dépensée par mois et l'argent que cela coûte.

Sécurité électrique

Après avoir décidé des appareils qu'elle se procurera, il est temps de tendre les câbles électriques. Le but étant de pouvoir utiliser tous les appareils en même temps. Elle sait que les fils qui partent du compteur vont courir sur environ dix mètres et elle sait que si elle prend des fils trop fins, ils vont chauffer, fondre et risquer de provoquer un incendie.
La tension dans les prises et dans chaque appareil est de 230 V.

Intensité 16 A20 A27 A32A45A
Diamètre du fil1,5mm²2,5mm²4mm²6mm²10mm²

Quel est le diamètre du fil qu'elle doit choisir ?Justifie ta réponse.

Un tableur peut être utile pour calculer l'intensité des différents appareils et leur somme.