Électricité
Électricité – L'électricité dans le temps
L'histoire de l'électricité
Présente dans la nature depuis l'origine de notre planète, observée et crainte depuis des millions d'années par nos lointains ancêtres, l'électricité n'a commencé à être comprise qu'à partir du 18ème siècle. Mais ce n'est qu'au siècle suivant qu'a débuté le long chemin de sa maîtrise.
De grands pionniers ont contribué à la domestication de l'électricité :
Monsieur Dufay a découvert les charges négatives et positives (1733), Coulomb a décrit les lois physiques élémentaires. Alessandro Volta inventa la pile électrique (1799), Zénobe Gramme mit au point la première dynamo (1868), Thomas Edison réalisa la première ampoule électrique (1879).
L'électricité a été ensuite, le moteur de la deuxième révolution industrielle. De nos jours, son don magique d'ubiquité, explique à posteriori l'apparence surnaturelle, que les hommes ont attribués aux éclairs, à la foudre, à l'électricité statique ou aux pendules, depuis des temps immémoriaux.
L'électricité, énergie des temps modernes
Diverse dans ses sources, (hydraulique, thermique, nucléaire, éolienne, solaire …), facilement transportable, l'énergie électrique est devenue un vecteur incontournable dans la satisfaction des besoins élémentaires ou de confort des sociétés modernes.
Le développement de l'électronique, de l'informatique, de la communication, d'Internet et de la domotique, n'a pas fini de nous surprendre et d'apporter plus de bien être à l'humanité. Nul ne peut assurer que l'électricité a livré tous ses secrets et fourni tout son potentiel.
Electricité – La nature de l'électricité
Les charges électriques
Les charges électriques – La composition des atomes
Les atomes sont constitués des électrons qui se déplacent autour d'un noyau composé de protons et de neutrons. Les neutrons sont neutres du point de vue électrique. Les électrons sont porteurs de charges négatives, tandis que les protons sont porteurs de charges positives.
Le nombre de protons étant identique à celui des électrons, l'ensemble qu'ils constituent avec les neutrons est électriquement neutre. En effet, dans un corps, la somme des charges positives étant égale à celle des charges négatives, elles se compensent.
Les charges électriques – L'électricité statique
En frottant certains corps, du verre par exemple contre du tissu ou de la laine, on constate que le morceau de verre est capable d'attirer de très petits objets comme des cheveux. Sous l'effet du frottement la laine a arraché des électrons superficiels au verre, lequel ayant perdus des électrons se trouve en chargé positivement. Concomitamment, les atomes de la laine, ont récupérés les électrons négatifs et se retrouvent chargés négativement. Le frottement a provoqué une électrisation par contact. La différence de charge entre un corps chargé négativement et un autre chargé positivement est appelée « différence de potentiel ».
Ce type d'électricité est dit statique, quand il n'y a pas de circulation des charges électriques. Par contre un corps chargé positivement (déficit d'électrons) ou négativement (excédent d'électrons), génère un flux d'électrons quand il se trouve au contact d'un corps neutre.
Le courant électrique
Le courant électrique – Matériaux conducteur ou isolant
En électricité, un conducteur est un corps dans lequel les charges électriques peuvent se déplacer facilement. Les métaux, l'eau, le corps humain sont conducteurs. Par contre, un isolant est un corps qui ne permet pas la circulation des charges électriques.
Les plastiques et le verre sont des isolants. La circulation du courant électrique est optimisée par l'utilisation combinée de matériaux très conducteurs et de matériaux qui sont eux, d'excellents isolants.
La propriété d'un objet à s'opposer au passage du courant se nomme « résistance électrique ». Elle s'exprime en ohms (Ω) et dépend de la nature du matériaux et de la longueur et de la section de l'objet parcourues par le courant. Les isolants ont une résistance élevée et les conducteurs ont une résistance faible.
Le courant électrique – Le circuit électrique
Un circuit électrique est un ensemble constitué d'un générateur (pile, dynamo, génératrice…), qui est capable de créer une différence de potentiel (donc une source de courant) entre les deux bornes d'un circuit et de récepteurs (lampes, appareils électroménagers,…) placés sur ce même circuit.
Le générateur et les récepteurs sont reliés entre eux par des fils très conducteurs (cuivre,…), afin de fermer le circuit. A l'intérieur du circuit ainsi créé, on dit que le courant électrique circule du pôle positif au pôle négatif du générateur, mais dans la réalité ce sont les charges négatives (électrons) qui se déplacent en sens inverse . Les scientifiques qui ont décrétés ce postulat, ignoraient cette réalité. Depuis dans la pratique, cette convention n'a pas été modifiée.
Le courant électrique – Les effets du courant électrique
Le courant électrique provoque un échauffement dans les conducteurs qu'il traverse. Cet effet thermique est appelé « effet Joule ». Ce dégagement de chaleur varie en fonction de la résistance du conducteur et de l'intensité du courant.
Le courant a aussi un effet magnétique. Celui-ci trouve ses principales applications dans les moteurs électriques et les transformateurs. La recharge des accumulateurs utilise, elle, les effets chimiques du courant électrique.
Le courant électrique – La nature du courant électrique
La force électromotrice d'une pile, provient du fait qu'entre ses deux bornes, il existe durablement une différence de densité des électrons libres. La borne négative possède une concentration d'électrons supérieure à la normale, alors que la borne positive est déficitaire en électrons.
Comme cela a été expliqué plus haut, le sens réel du flux d'électrons va de la borne négative, qui est excédentaire en électrons, vers la borne positive, qui est déficitaire en électrons. On pourrait dire, qu'en électricité, ce sont les forces négatives qui sont créatrice d'énergie.
L'intensité du courant électrique
L'intensité du courant – Définition de l'intensité du courant électrique
Pour définir ce qu'est l'intensité du courant électrique, il est d'usage de comparer le courant électrique, au débit d'eau dans un tuyau. Le générateur correspondrait à la pompe qui met l'eau sous pression.
De même que le débit d'un tuyau est la quantité d'eau qui passe dans une section du tuyau, pendant un temps donné, l'intensité du courant correspond au débit de charges électriques qui traverse chaque seconde un point du circuit.
L'intensité du courant – La mesure de l'intensité du courant électrique
L'unité de mesure de l'intensité du courant est l'ampère (A). Un ampère est égal au débit d'une charge électrique d'un coulomb par seconde, en un point donné d'un circuit.
L'ampèremètre est l'instrument de mesure de l'intensité du courant. Il s'insère au point du circuit où l'on veut mesurer l'intensité du courant.
La tension électrique
La tension électrique – Définition de la tension électrique
Entre la borne excédentaire en électrons (borne positive) et la borne déficitaire en électrons (borne négative) d'un générateur, il existe une « différence de potentiel » appelée « tension électrique ». Cette différence de potentiel, qui génère la mise en mouvement des électrons libres, s'appelle la « force électromotrice » (fem).
C'est la force électromotrice d'une pile, qui détermine l'intensité d'un courant en circulation dans un circuit fermé. Dans un tel circuit, l'intensité du courant circulant est proportionnelle à la force électromotrice.
La tension électrique – Mesure de la tension électrique
L'unité de tension électrique ou différence de potentiel est le volt. Cette unité de meure est symbolisé par un V. On peut la comparer à la pression entre deux points d'un circuit d'eau. Pour mesurer la tension entre deux points d'un circuit électrique, il suffit de brancher un voltmètre en dérivation.
Un courant ne peut circuler dans un circuit, si il n'y a pas de tension électrique. Dans un circuit les tensions sont dites additives, mais elles sont égales dans un circuit de dérivation.
La tension alternative
Lorsque la tension est fournie par un transformateur ou un générateur du type de celui utilisé sur les bicyclettes, elle est dite variable ou alternative. En effet dans ce cas, la tension s'inverse. L'étude des tensions variables se fait à l'aide d'un oscilloscope ou plus récemment par l'expérimentation assistée par ordinateur.
L'amplitude d'une tension alternative correspond à sa valeur maximale. La tension alternative est périodique puisqu'elle reprend la même valeur au bout d'un intervalle de temps nommé période. Le nombre de périodes par seconde, correspond à la fréquence de la tension alternative. Cette fréquence est mesurée en hertz. La valeur efficace d'une tension alternative correspond à la tension continue produisant un effet thermique équivalent.
Les fournisseurs d'énergie distribuent une tension alternative dont la variation est sinusoïdale.
Les contraintes du passage de la tension alternative à la tension continue
Les contraintes du passage de la tension alternative à la tension continue – La réception électrique
Les appareils électriques couramment utilisés se répartissent en deux catégories :
- les matériels qui fonctionnent directement à partir de la tension du secteur : les appareils d'éclairage, de chauffage, ou ceux qui alimentent des moteurs électriques ;
- les appareils électroniques qui ne fonctionnent qu'en continu.
Certains appareils peuvent fonctionner à la fois sur pile et sur le secteur à condition de disposer dans ce dernier cas d'un adaptateur. Cet adaptateur externe ou interne à l'appareil lui-même, est destiné à obtenir une basse tension continue à partir du courant alternatif du secteur.
Les contraintes du passage de la tension alternative à la tension continue – Les modalités de transformation de la tension alternative
Le transformateur en l'abaissant ou en l'élevant, est utilisé pour modifier la valeur efficace d'une tension alternative. Un transformateur est constitué, de deux bobines de fils de cuivre indépendante l'une de l'autre et installées sur un support en fer.
C'est la variation du champ magnétique créé par le courant variable circulant dans la première bobine, qui induit une tension variable dans la seconde bobine. Le quotient de la tension de la bobine secondaire sur celle de la bobine primaire, correspond au rapport de transformation. Pour réduire les pertes, il est généralement admis qu'il faut prévoir une dizaine de spires par volt.
Les contraintes du passage de la tension alternative à la tension continue – Le redressement et le lissage de la tension alternative
Un redresseur permet d'assurer une étape de la conversion d'une tension alternative, en une tension continue. Le redressement d'une tension alternative est généralement effectué à l'aide d'un pont de diodes. Ces diodes ne laissent passer le courant que dans un seul sens.
La seconde étape de la conversion d'une tension alternative, en une tension continue, consiste dans le lissage, qui consiste à empêcher les variations brutales de tension. Le lissage est assuré par un condensateur qui est assimilé à un réservoir de charges électriques. Comme tous les réservoirs, le condensateur se caractérise par sa capacité ; Celle-ci est mesurée en « Farads ».
Un adaptateur secteur est donc constitué d'un transformateur qui abaisse la tension alternative, de diodes qui redressent cette tension et d'un condensateur qui est chargé de lisser la tension redressée.
Les harmoniques
Description des harmoniques
Certains récepteurs sont dits non linéaires : le courant qu'ils absorbent n'est pas proportionnel à la tension à leurs bornes. Lorsqu'ils sont alimentés par une tension alternative sinusoïdale, le courant qui les traverse n'est pas sinusoïdal, on dit que l'onde de courant est déformée. Grâce à l'analyse harmonique (théorie des séries de Fourier), on peut représenter cette onde déformée comme une somme d'ondes sinusoïdales de fréquences multiples de la fréquence d'origine. La fréquence d'origine est dite fréquence fondamentale et les ondes sinusoïdales de fréquences multiples sont les harmoniques.
Les harmoniques se classent par rang : rang 2 pour une fréquence double de la fondamentale, rang 3 pour une fréquence triple, etc.
Selon la forme de l'onde de courant, l'analyse harmonique révélera la présence plus ou moins importante de certains rangs d'harmoniques.
Conséquences sur le réseau électrique
La présence d'harmoniques entraîne la circulation de courants qui peuvent provoquer des échauffements anormaux des conducteurs et des déclenchements intempestifs de disjoncteurs.
Les harmoniques de rang 3 sont particulièrement nocives car, en réseau triphasé, elles s'additionnent dans le neutre. Elles sont principalement générées par les appareils électroniques.
Harmoniques électriques et communication
Les harmoniques circulant sur les réseaux électriques peuvent générer des perturbations électromagnétiques et affecter ainsi les lignes de communication.
Electricité – Les utilisations de l'électricité
En guise de conclusion, nous pouvons constater que l'électricité est incontournable dans la vie économique moderne. Il est possible de dire qu'on la trouve partout et qu'elle est déterminante. Sans prétendre être exhaustif, elle est présente au niveau de la conception des produits et des services, avec le fonctionnement des ordinateurs et des logiciels. Elle est partout dans l'industrie et les services. Sans elle, la communication redeviendrait archaïque. Elle joue un rôle essentiel dans les transports collectifs.
L'électricité révolutionne la médecine et a envahi la maison pour améliorer le confort de toutes les familles. Déjà la domotique nous apporte encore plus de confort et encore plus de plaisir. Plus que jamais l'électricité mérite bien qu'on la surnomme : la fée électricité.
