Règles de base en électricité
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Règles de base en électricité
1 - Qu'est-ce que l'électricité ?
L'électricité est une forme d'énergie qui se manifeste lorsqu'il y a circulation d'électrons à l'intérieur d'un corps conducteur, ou encore à l'occasion de certains phénomènes naturels (foudre...).
Pour mémoire: un atome est composé de protons (charges positives) et de neutrons (électriquement neutres), qui forment le noyau, et d'électrons (charges négatives), qui gravitent autour du noyau sur des "orbites" concentriques, correspondant à différents niveaux d'énergie. Certains corps, en particulier les métaux, sont de très bons conducteurs (l'argent, le cuivre, l'aluminium...). Ces corps possèdent des électrons qui peuvent facilement se libérer de l'attraction du noyau de l'atome et se déplacer, de proche en proche, vers d'autres atomes. A l'inverse, d'autres corps sont de très mauvais conducteurs de l'électricité: on dit que ce sont des isolants diamant, céramique, plastique...).
On observera que les matériaux isolants sont tout aussi nécessaires que les matériaux conducteurs dans les applications pratiques de l'électricité ou de l'électronique, puisqu'ils permettent d'une part de canaliser les flux d'électrons, et d'autre part d'assurer la protection des utilisateurs.
Le flux d'électrons est appelé courant électrique.
La conduction se définit comme la circulation d'un courant électrique dans le matériau soumis à un champ électrique extérieur. Ce courant est dû au déplacement de charges électriques dans le matériau.
2 - Un circuit électrique très simple
L'utilisation de l'énergie électrique afin de produire un travail nécessite la réalisation de ce qu'on appelle un circuit électrique. Le plus simple des circuits électriques est sans doute celui constitué par une lampe de poche, bien connue de tous.
Une lampe de poche comporte les éléments suivants:
une ou plusieurs piles, qui fournissent l'énergie
une ampoule, qui transforme l'énergie en lumière
un interrupteur "M/A", pour "allumer" ou "éteindre" la lampe de poche
des contacts, pour relier les piles à l'ampoule via l'interrupteur
Tous ces éléments sont réunis dans un boîtier, qui les protège des chocs, de la poussière, de l'humidité, etc.
L a représentation schématique de ce circuit est donnée ci-dessous. Pour réaliser un schéma, on utilise des symboles conventionnels.
Si on généralise à partir de l'exemple de la lampe de poche, on peut dire qu'un circuit électrique comprend toujours, au minimum:
un générateur (ici: les 2 piles en série)
un ou plusieurs récepteurs (l'ampoule)
un ou plusieurs interrupteurs
des fils de liaison ou des contacts
Les deux piles sont ici branchées en série, ce qui signifie que le pôle + de la seconde est en contact avec le pôle - de la première. Si les deux pôles + étaient reliés ensemble et les deux pôles - reliés ensemble, on dirait que les piles sont en parallèle.
Tension continu :
 +
pile
b   atterie (voiture,…)
redresseur
…. -
Tension alternative :
Phase
a  lternateur
réseau EDF
onduleur
… Neutre
Les unités :
Valeur
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Unité
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Exemple
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Tension (U)
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Volt (V)
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230 V (tension entre phase et neutre)
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Courant (I)
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Ampère (A)
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10 A (intensité d’un calibre de porte fusible pour un circuit lumière)
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Puissance (P)
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Watt (W)
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100 W (puissance d’une ampoule)
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Résistance (R)
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Ohm (Ω)
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50 Ω (valeur de continuité d’une résistance)
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Energie (W)
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Joule (J)
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100000 J (énergie dissipé en effet joule)
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3 - Qu'est-ce qu'un dipôle ?
U n dipôle est un système comportant deux pôles de branchement dans lequel peut circuler un courant électrique. Une pile, une résistance sont des dipôles, mais deux (ou trois...) résistances associées en série ou en parallèle forment aussi un dipôle.
4 - Qu'est-ce qu'un générateur ?
On appelle générateur un dipôle capable de convertir en énergie électrique une autre forme d'énergie: une pile, une photopile, une génératrice (dynamo)... Un dipôle est un générateur lorsqu'il fournit de l'énergie.
La pile (cell, en anglais) ou une batterie produisent de l'énergie électrique à partir d'une réaction chimique (on parle de générateur électrochimique). La photopile transforme l'énergie rayonnante de la lumière en énergie électrique. Le générateur est la source d'énergie électrique d'un circuit.
Si la tension produite par un générateur est invariable dans le temps (sa caractéristique est une droite rectiligne), on parle de régime continu.
Si la tension est variable, donc alternative, de forme sinusoïdale, comme celle issue du secteur EDF, on parle de régime alternatif, ou sinusoïdal.
Voici l'allure d'une tension continue et d'une tension alternative, donc variable, tantôt positive (au-dessus de l'axe X), tantôt négative (au-dessous de l'axe X.)
Retenons pour l'instant qu'il existe deux sortes de courant électrique :
le courant continu, invariable, fourni par les piles, batteries, alimentations...,
le courant alternatif, variable, fourni par les dynamos, les génératrices, le secteur...
5 - Qu'est-ce qu'un récepteur ?
On appelle récepteur tout dispositif convertissant de l'énergie électrique en une autre forme d'énergie. Un dipôle est un récepteur lorsqu'il consomme de l'énergie.
Lorsqu'un ou plusieurs récepteurs sont alimentés par un ou plusieurs générateurs, on a ce qu'on appelle un circuit électrique.
6 - Les principales grandeurs électriques :
Nous sommes toujours en présence, dans un circuit électrique quelconque, d'au moins quatre grandeurs électriques:
la tension, exprimée en volts (V)
l'intensité du courant, exprimée en ampères (A)
la résistance, exprimée en ohms (Ω)
la puissance, exprimée en watts (W), qui est le produit de la tension et de l'intensité.
Pour mesurer une grandeur électrique, on a recours à un appareil appelé multimètre, qui regroupe, sous un même boîtier, un voltmètre, un ampèremètre, un ohmmètre, etc. Il existe de très nombreux modèles de multimètre, voici à quoi il peut ressembler:
Un multimètre numérique, comme celui-ci, permet de mesurer une tension continue ou alternative, une intensité, une résistance.
La tension ou différence de potentiel (d.d.p.) doit toujours être mesurée en parallèle sur un circuit (exemple : cosses d’une batterie de voiture, tension mesurée entre 2 bornes d’une résistance,…)
La tension est donc associée à une force: la force électro-motrice (f.e.m.).
La tension (notée U ou E), que l'on peut assimiler à la différence de potentiel (notée d.d.p.) entre deux points A et B d'un circuit électrique, est une grandeur algébrique: si elle est positive entre A et B, elle est de même valeur, mais négative entre B et A.
L'intensité d'un courant électrique (notée i ou I) exprime l'importance du flux de charges électriques qui traverse la section du conducteur par unité de temps. L’ampermètre qui mesure l’intensité dans un circuit, doit toujours être branché en série dans un circuit. L'intensité du courant est analogue au débit, en litres par seconde, d'un liquide dans une canalisation, ou encore au nombre de voitures circulant sur une route entre un point A et un point B pendant un temps donné. L'intensité se mesure en ampères (A) ou en milliampères (mA).
Branchement d’un appareil de mesure :
A
    
 V
Un voltmètre doit toujours être branché en parallèle sur un récepteur ou autre.
Un ampèremètre doit toujours être branché en série dans un circuit.
Les deux lois de Kirchhoff, qui sont fondamentales, nous apprennent que:
l'intensité du courant est la même en tous points d'un circuit bouclé sans bifurcations
si le circuit comporte un "noeud", la somme des intensités des courants arrivant à ce nœud est égale à la somme des intensités des courants qui en sortent.
V
Signalons par ailleurs que le sens conventionnel du courant, symbolisé par une flèche, est en réalité l'inverse du sens réel de déplacement, au niveau atomique, des électrons dans le circuit. Cette bizarrerie s'explique par le fait que les savants du XVIIIème siècle avaient une chance sur deux de "deviner" le sens correct, et ils se sont trompés! Ceci demeure toutefois sans aucune conséquence pratique.
 oici une autre illustration de ces lois :
La résistance : qui se mesure en ohms (Ω), correspond, comme son nom l'indique, à la résistance qu'oppose un conducteur (dit "ohmique") au passage du courant.
Imaginons une canalisation dont le diamètre n'est pas identique en tout point, ce qui a pour effet de laisser passer le liquide qu'elle contient plus ou moins facilement: cela correspond à la résistance. Sur une route, le passage de 4 à 2 voies constitue un autre exemple de "résistance". Intuitivement, on sent bien que la résistance d'un circuit est en relation directe avec l'intensité: plus elle est forte, plus cette dernière sera faible, et vice versa. On pourrait dire aussi que plus la résistivité d'un conducteur augmente (par exemple en cas d'élévation de sa température), plus l'intensité du courant qui le traverse diminue.
L es résistances (le mot désigne aussi bien le composant que sa grandeur; il s'agit ici du composant) peuvent être associées en série ou en parallèle. Avant d'aller plus loin, voyons l'un et l'autre cas:
Lorsque deux ou plusieurs résistances sont associées en série, elles forment un dipôle dont la résistance totale (dite "équivalente") est la somme algébrique des résistances individuelles. Le courant n'ayant qu'un seul chemin, il est "obligé", si on peut dire, de passer successivement à travers toutes les résistances qu'il rencontre. Celles-ci s'additionnent.
Ici, plusieurs chemins sont proposés au courant, qui les emprunte tous (à commencer par le chemin offrant la moindre résistance). Le résultat est au total une résistance équivalente moindre que chacune des résistances individuelles.
Les formules
La loi d'Ohm
La loi d'Ohm nous dit que : dans un circuit électrique, la tension U aux bornes d'un conducteur, exprimée en volts, est égale au produit de la résistance R, en ohms, et de l'intensité I, en ampères. U = R I
O
n peut donc en conclure que :
La loi de Joule
Chacun peut aisément vérifier qu'une ampoule éteinte est froide; allumée, elle est chaude, voire brûlante. Il en va de même pour le processeur de votre ordinateur: PC éteint, le processeur est "à température ambiante", PC allumé, il s'échauffe, sa température monte rapidement aux alentours de 50°C et, s'il n'est pas efficacement refroidi, il peut même "griller"! En résumé: dès qu'il y a circulation d'un courant électrique (c'est-à-dire, au niveau atomique, un déplacement d'électrons), on constate en tout point du circuit que de l'énergie est transférée vers l'extérieur sous forme de chaleur, conséquence d'un rayonnement thermique, ce qui se traduit par une élévation de température. C'est ce qu'on appelle l'effet Joule, nommé d'après le physicien anglais J. P. Joule.
La loi de Joule s'énonce comme suit:
la puissance P reçue par un conducteur (en régime continu), est égale au produit de la tension U à ses bornes par l'intensité I du courant qui le traverse, ou encore, au produit de la résistance R par le carré de l'intensité I. Elle s'exprime en watts (W).
On peut donc écrire :
P = U I ou encore (puisque U = R I): P = R I²
Les puissances
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En continu
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En alternatif monophasé
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En alternatif triphasé
|
P = U x I
(en watt)
|
P = U x I x cos φ
(puissance active en Watt) W
Q = U x I x sin φ
(puissance réactive) VAR
S = U x I
(puissance apparente en Volt Ampères) VA
|
P = U x I x V3 x cos φ
(puissance active en Watt) W
Q = U x I x V3 x sin φ
(puissance réactive) VAR
S = U x I x V3
(puissance apparente en Volt Ampères) VA
|
 
S (en VA) Q (en VAR)
P (en Watt)
Les grandeurs
MA
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kA
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|
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A
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mA
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|
yA
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MW
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kW
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W
|
|
|
mW
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|
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yW
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Ml
|
|
kl
|
hl
|
dal
|
L
|
dl
|
cl
|
ml
|
|
|
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1 A = 1A 1 nA = 1.10-9 A = 0,000000001 A
1 mA = 0,001 A 1 kA = 1000 A
1 yA = 0,000001 A 1 MA = 1000000 A
Branchement d’un wattmètre sur un circuit monophasé :
P hase (alternatif) ou + (continu) * I 1 I 2
A         W
* V1 V2
R V
Neutre (alternatif) ou – (continu)
Règles de base en électricité Page /7
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