Introduction :
L’électricité fait partie de notre vie
quotidienne. Nous ne pourrions pas nous en passer, mais que savons-nous d’elle ?
L’électricité est une forme d’énergie.
Elle est produite par des électrons qui possèdent chacun une petite charge électrique.
Les électrons sont des particules qui font partie d’un atome. Quand nous
allumons la lumière, des millions et des millions d’électrons traversent la
lampe chaque seconde. Les câbles encastrés dans les murs transportent
l’électricité qui est donc disponible à tout moment sur simple pression d’un
bouton. Nous appelons cette énergie “courant électrique”.
Mais il existe aussi l’électricité statique.
Explication simple
A première vue, l’électricité et l’eau n’ont pas grand-chose en
commun, et pourtant elles se ressemblent énormément. La meilleure façon
d’expliquer le mécanisme des concepts électriques (tension, intensité et
résistance) est de le comparer au schéma d’une fontaine, comme ci-dessous.
On peut comparer le tuyau par lequel l’eau circule au fil
électrique, et l’eau qui s’écoule dans le tuyau à l’électricité.
La pression d’eau dans le tuyau peut être comparée à la tension.
Plus il y a de tension (volt) dans le tuyau, et plus forte est la pression de l’eau qui
s’écoule.
Le concept suivant est l’intensité du courant électrique (ampère): ce n’est rien de plus que la quantité
d’eau ou débit (litres/seconde). Le débit est le résultat de la pression (plus
il y a de tension, et plus il y a d’intensité) et de l’ouverture du robinet.
On peut comparer l’ouverture du robinet à la résistance électrique
(ohm). Plus nous ouvrons le robinet, et moins
l’eau rencontre de résistance et plus vite elle s’écoulera.
En
résumé :
- La
tension se
mesure en volt.
On
peut la comparer à la pression d’eau dans le tuyau.
- L’intensité se mesure en ampère.
On
peut la comparer à la quantité d’eau qui s’écoule dans le tuyau.
- La
résistance se
mesure en ohm.
On
peut la comparer à l’ouverture du robinet sur le tuyau.
Constitution de la matière :
1- Les atomes
L’ atome est le constituant élémentaire de la matière, c’est un assemblage de particules fondamentales.
Il est constitué d’un noyau autour duquel gravitent des électrons, qu’on appellera
« nuage électronique ».
2- Le noyau
C’est la partie centrale de l’atome (environ 10 000 fois plus petit que l’atome lui-
même). Il est constitué de protons, chargés positivement et de neutrons, sans charge
électrique.
3- Le nuage électronique
Autour du noyau gravitent des électrons. Les électrons sont des charges électriques négatives très petites et très légères. Ces charges négatives gravitent autour du noyau à des distances bien déterminées. Sur ces orbites, appelées couches électroniques, on trouve toujours un nombre bien déterminé d’électrons.
Enfin, dans un atome neutre, le nombre d’électrons est égal au nombre de protons.
Phénomène d’ionisation
Nous venons de voir que les électrons tournent extrêmement vite autour du noyau sur
des orbites bien déterminées.
Prenons un exemple : l’atome de carbone, qui possède 6 électrons sur deux orbites.
Les électrons les plus proches du noyau sont fortement attirés par celui- ci. Par
contre, ceux qui gravitent sur des orbites éloignées, moins attirés par le noyau,
peuvent parfois quitter facilement l’atome et deviennent alors libres.
L’atome qu’ils viennent de quitter n’est plus électriquement neutre : il lui manque
un ou plusieurs électrons.
On dira que cet atome est devenu un ion positif.
Mais un électron libre peut aussi « s’accrocher » à un atome neutre qui deviendra
ainsi un ion négatif.
Production de courant
Un générateur électrique est un appareil capable de fournir d’une part, une grande
quantité d’électrons libres à la borne négative et d’autre part, une grande quantité
d’ions positifs à la borne positive.
Différence de potentiel
Pour que le courant électrique puisse circuler dans le conducteur qui relie les deux
bornes d’un générateur, il faut évidemment qu’il y ait un déséquilibre dans le nombre
d’électrons libres. C'est-à-dire un état électrique différent pour chaque borne.
Cet état est appelé potentiel électrique.
L’unité de différence de potentiel (ddp) est le VOLT (V), symbolisé par la lettre
U.
Pour mesurer cette ddp, on utilise un voltmètre. Celui-ci se branche toujours en
parallèle sur le circuit.
Intensité du courant électrique
Pour qu’un courant électrique circule dans un circuit, il faut :
- un générateur aux bornes duquel il existe une ddp (différence de potentiel)
- un récepteur (charge) relié aux bornes du générateur par un circuit électrique
fermé
L’intensité du courant électrique représente la quantité d’électrons qui ont traversé
le circuit (générateur, conducteur et charge).
L’intensité du courant se mesure en Ampère (A), symbolisé par la lettre I.
Pour mesurer cette intensité, on utilise un ampèremètre qui se monte en série sur
le circuit.
Dans l’illustration ci-dessus la charge utilisée est une lampe.
Loi de Pouillet :
Notions :
- On peut définir la résistance électrique d’un circuit comme étant la difficulté
que présente ce circuit au passage du courant électrique. L’unité de résistance est
l’OHM (W).
- Nous pouvons également déclarer que lorsque la longueur l d’un conducteur augmente,
sa résistance grandit proportionnellement. De même lorsque la longueur diminue, sa
résistance diminue.
Enfin, la loi de Pouillet nous donne la relation suivante :
La résistance d’un conducteur est directement proportionnelle à sa résistivité (
rau grec) et à sa longueur (L); elle est inversement proportionnelle à la section
(S) de ce conducteur.
R = ρ. L / S
Avec
R : la résistance électrique du conducteur en ohm (W)
ρ: résistivité de la matière en ohm.mm²/ m
L : longueur du conducteur en m
S : section du conducteur en mm²
Quelques exemple de valeurs de résistivité en ohm mm²/ m à 20°C :
- Cuivre : 0.017
- Argent : 0.016
- Alu : 0.028
- Fer : 0.1
On note bien que les corps permettant le passage du courant sont appelés conducteurs.
On trouve par exemple les métaux comme le cuivre, l’aluminium, l’argent, …
Les corps ne permettant pas le passage du courant sont appelés isolants. Le caoutchouc,
le verre, le mica, la porcelaine, plastiques, … sont des corps isolants.
Un fort courant dans un fil de faible section provoque un échauffement
du fil et sa combustion. Il est impératif d’adapter la section des fils si on ne
veut pas transformer son installation en radiateur ou pire, déclencher un incendie…
Loi
d’Ohm :
La loi d’Ohm est une loi physique qui a démontré dans la pratique
que la tension électrique à travers une résistance est directement
proportionnelle à l’intensité du courant électrique qui passe par cette
résistance.
Si une intensité, que nous appellerons I, traverse une résistance que nous
appellerons R, il se
crée à travers cette résistance une tension appelée U.
Exemple 1 :
Nous avons une résistance d’une valeur de 6 ohms et nous y
envoyons un courant d’une intensité de 2 ampères. Quelle est la tension?
Tension (U) = résistance (R) x intensité (I) soit 6 x 2 = 12 volts.
Exemple 2 :
Nous mesurons 12 volts entre les bornes d’une batterie. Nous y
branchons une résistance de 4 ohms. Quelle sera l’intensité qui traversera la résistance?
12 volts = 4 ohms x ??
Posez votre doigt sur le I et vous obtiendrez 12 / 4 = 3 ampères
Exemple 3 :
Une résistance de valeur inconnue est branchée sur une batterie
ayant une tension de 6 volts. Nous mesurons une intensité de 0,5 ampère. Quelle
est cette résistance ?
6 = ?? x 0,5
Posez votre doigt sur le R et vous obtiendrez 6 / 0,5 = 12 ohms
Puissance (watt) :
La puissance est mentionnée en watt sur tous les appareils électriques. La puissance exprime la
consommation électrique maximale par seconde de la machine. En électricité, on
utilise beaucoup la formule suivante :
- U : la valeur effective de la tension
électrique exprimée en volt.
- I : la valeur effective de l’intensité exprimée en ampère.
Exemple :
La tension et l’intensité d’une meuleuse d’angle sont
respectivement de 230 V et 3,5 A. Sa puissance maximale est donc de 3,5 x 230 =
805 W.
Nous exprimons la consommation d’un appareil en kilowattheure =
kWh.
1 kWh = 1 000 W.
Si nous travaillons 2h avec notre meuleuse, nous aurons consommé
:
(805 x 2h)/1 000 = 1,61 kWh.
Pour savoir combien cela coûte, nous devons multiplier le prix du kWh par la consommation.
Formules dérivées
P = R . I²
P = U²/ R
Pour rappel, la section d’un câble suivant son diamètre se calcule comme suit :
S = p. D² / 4
Ou suivant son rayon : S = p . R²
Notions de courant et de tension
On a vu que la tension représente la ddp (différence de potentiel) aux bornes d’une charge, tandis que le courant
représente l’énergie qu’elle consomme.
Mais il ne faut surtout pas oublier que ces deux notions sont liées. En effet, nous
avons vus par la loi d’ohm que I = U / R et que U = R . I
Pour simplifier les choses, nous parlerons de courant plutôt que de tension, sachant
que ce mot est le plus couramment utilisé.
Nous distinguerons trois états :
- un état statique (courant continu)
- un état dynamique (courant alternatif)
- un état transitoire (tout changement d’état)
Le courant continu
C’est ce type de courant que l’on rencontre aux bornes d’une pile, d’un générateur, d’une batterie,… Il est caractérisé par un mouvement global des électrons allant d’un pôle vers l’autre sans inversion de polarité.
On verra par exemple sur un transformateur une tension de sortie de 6 Volts DC (Direct Current).
Le courant alternatif
Celui-ci est produit comme son nom l’indique par un alternateur. Hormis un groupe
électrogène ou un convertisseur, il est généralement issu du réseau de distribution
EDF, ou Electrabel en Belgique. Il sert à l’alimentation de la plupart des appareils
électriques présents sur le marché.
C’est aussi le type de courant le plus utilisé en sonorisation, en éclairage, en
vidéo, que ce soit pour transporter le signal du micro à la console, ou de l’amplificateur
aux enceintes. Il se note AC (Alternative Current)
On associe le courant alternatif aux signaux plus complexes tels que la voix ou la
musique (ici on ne parle que de sono), car ces signaux s’analysent de la même façon
qu’un signal alternatif.
Un son est en effet composé de différentes fréquences. Toutes ces fréquences se représentent
par des sinusoïdes. Mais un son n’est pas composé d’une seule et unique fréquence.
C’est un ensemble de fréquences, et donc un ensemble de sinusoïdes qui vont former
un signal complexe.
Il faut donc bien faire attention à ne pas faire l’amalgame entre le courant alternatif
produit par EDF et le courant alternatif produit par un micro,… Nous ne nous intéresserons
qu’au courant servant à l’alimentation des appareils électriques.
Représentation du courant alternatif;
Le courant alternatif est un courant dont l’intensité varie de façon régulière au cours du temps, tantôt positive, tantôt négative, en passant par zéro.
Le courant (ou tension) alternatif est caractérisé par :
- son amplitude
- sa fréquence (ou période)
- sa phase
1- L’amplitude :
L’amplitude est la valeur du courant à un instant donné. Elle se mesure en ampères
(intensité).
2- La fréquence :
La fréquence se mesure en Hertz. Ce qui correspond au nombre d’oscillations (دبدبة) par seconde. La période est la durée d’un cycle (1 oscillation) en secondes.
Une fréquence de 1 Hz correspond à 1 cycle, ou 1 oscillation par seconde.
Nous obtenons la relation suivante :
F = 1/ T
Avec :
F fréquence en Hertz, et T la période en seconde.
3- La phase :
La phase représente la synchronisation du signal par rapport à un point de référence.
Exemple : Prenons un circuit automobile circulaire avec une voiture qui roule continuellement
à vitesse fixe et constante. On veut prendre une photo de la voiture chaque fois
qu’elle passe la ligne de départ. Il faut donc se synchroniser sur la vitesse du
véhicule pour déclencher la photo. Ce sera la référence (phase =0).
Décidons maintenant de ne plus photographier la ligne de départ, mais une dizaine
de mètres avant la ligne de départ. Nous devons décaler notre synchronisation pour
être « en phase » avec la voiture. Ce décalage se mesure et s’appellera phase ou
déphasage (en degrés).
En courant alternatif, nous parlerons de déphasage du courant par rapport à la tension.
En effet, suivant le type de récepteur (charge), le courant engendré peut être soit
en phase avec la tension, soit déphasé en avance ou en retard par rapport à la tension.
Les différentes impédances : résistance, inductance, condensateur :
On va caractériser la charge d’un circuit par son impédance, qui prend en compte le déphasage du courant par rapport à la tension :
U(Ψ) = Z(Ψ).I(Ψ)
P(Ψ) = U(Ψ) . I(Ψ)
La résistance est une impédance particulière qui ne déphase pas le courant.
Résistance :
Un filament de lampe, le fil chauffant d’un grille- pain d’un chauffage électrique
,… constituent des résistances R pures. Toute l’énergie fournie par la source s’y
trouve convertie en chaleur. On parle de chauffage par effet Joule.
Dans ce type d’impédance, le courant engendré est toujours en phase avec la tension.
