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NOTIONS DE BASE D’ELECTRICITE
1.1. Notions de courant et de tension
La nature et l’origine de l’électricité résident même dans l’organisation interne de la matière. C’est la raison pour laquelle une brève étude de la structure de la matière s’avère nécessaire.
1.1.1. Structure de la matière
La matière se présente sous deux formes d’existence : substance et champs. La substance est concrète, palpable pendant que le champ n’est pas détectable avec les sens humains. Les champs se manifestent par les forces qui lui sont spécifiques.
Les substances peuvent être simples (élémentaires) ou tout simplement éléments et composées. Dans la structure des substances composées on retrouve des éléments associés sous des divers rapports.
Les éléments peuvent être décomposés jusqu’au niveau des atomes. Les atomes ont une structure particulière et caractéristique pour chaque élément. Lorsque l’on subdivise on modifie la nature de l’élément. L’atome représente la plus petite particule qui conserve les propriétés d’origine d’un élément.
Les atomes s’associent d’après des mécanismes spécifiques et engendrent les molécules. La molécule est la plus petite particule à la base de la constitution d’une substance composée qui conserve les propriétés d’origine de celle-ci. Une molécule est un groupement d’au moins deux atomes, mais on a synthétisé des substances dont les molécules contiennent des milliers d’atomes.
1.1.2. Structure de l’atome
L’atome est constitué par un noyau très petit et lourd portant une charge positive (+) autour duquel tournent à grande vitesse les électrons porteurs de charges négatives (-). Ceux-ci gravitent sur des orbites occupant des couches concentriques. La charge totale des électrons neutralise la charge positive du noyau. Dans son ensemble l’atome est neutre du point de vue électrique.
Entre le noyau (+) et les électrons (-) s’exercent des forces d’attraction d’autant plus grandes que les électrons sont prés du noyau.
Le noyau est composé de 2 sortes de particules : les protons et les neutrons. Les protons sont des particules possédant une charge positive de valeur absolue égale
à la charge négative de l’électron. Les neutrons ne possèdent pas de charge électrique.
La masse du proton est à peu près égale à celle du neutron et environ 1840 fois plus grande que celle de l’électron.
Le nombre de protons est égal à celui d’électrons et il est caractéristique pour chacun des 110 éléments identifiés dans l’univers.
Un atome peut perdre ou accepter un ou plusieurs électrons; ainsi il n’est plus en
état neutre du point de vue électrique, et on l’appelle ion. Un ion positif est un atome qui a perdu d’électrons et un ion négative est un atome qui a accepté d’électrons.
Les électrons sont répartis en couches concentriques. Ceux appartenant à la couche extérieure s’appellent électrons de valence. Ils sont moins attirés par le noyau et ils peuvent quitter leur atome pour circuler dans l’espace libre autour des atomes. Ils deviennent des électrons libres. Leur vitesse est très grande (1000 km/s) et leur mouvement très désordonné, mais ils ne quittent pas la structure à laquelle ils appartiennent et celle-ci reste neutre (fig. 1-1).
Le déplacement d’électrons de manière ordonnée constitue le courant électrique.
Les électrons de valence jouent un rôle très important dans le courant électrique.
Pour un élément avec de bonnes propriétés électriques comme l’aluminium le nombre d’électrons de valence est 3.
Un noyau contenant, entre autre, un nombre n de protons lui donnant une charge positive (+e x n)
Orbites
Un nombre n d'électrons gravitant par deux sur des orbites rassemblées en couches K, L..., autour du noyau. Les électrons donnent à l'atome une charge négative (-e x n).
+6e
L
Schéma d’un atome de carbone (6 protons +6e et 6 électrons –6e)
Fig. 1-1
1.1.3. Classification des corps
Du point de vue électrique les corps sont classés en 3 catégories : conducteurs, isolants et semi-conducteurs.
Les conducteurs opposent une faible résistance au passage du courant électrique. Ce sont les éléments qui possèdent au maximum 3 électrons de valence qui se déplacent facilement dans leur structure et une concentration élevée d’électrons libres. Tous les métaux sont des conducteurs, l’aluminium et le cuivre étant les plus utilisés.
Par contre les isolants sont des matériaux qui ne permettent pas le passage du courant. Le papier, le bois, le caoutchouc, le plastique, le verre, la porcelaine sont des exemples de matériaux utilisés comme isolants en électrotechnique. Les isolants sont d’habitude des substances composées qui ne permettent pas l’apparition des électrons libres, contrairement aux conducteurs qui sont des éléments purs.
Les semi-conducteurs présentent une situation intermédiaire entre les conducteurs et les isolants. Ces éléments se caractérisent par 4 électrons de valence ; leur concentration d’électrons libres dépende de la température. Le germanium et le silicium sont les semi-conducteurs les plus utilisés. En outre les semi-conducteurs ont déterminé un développement spectaculaire de l’électronique car ils servent à la réalisation des composants comme : diodes, transistors, circuits intégrés.
1.1.4. Domaines de l’électricité
Les phénomènes électriques sont produits par la charge électrique. On appellecharge élémentaire d’électricité la plus petite quantité d’électricité qui puisse exister.
En fonction de l’état cinétique de la charge, on identifie deux domaines distincts de l’électricité : statique et dynamique.
L’électricité statique étudie les phénomènes électriques concernant la charge électrique en état de repos sur les objets. Un corps se charge d’électricité lorsqu’un déséquilibre apparaît entre le nombre d’électrons et de protons qu’il possède. Ce déséquilibre se produit au niveau atomique, mais il est mis en évidence sur le corps. Un corps chargé présente soit un surplus soit un déficit d’électrons et le processus suivant auquel il arrive en cet état s’appelle électrisation.
La charge électrique est exprimée en coulombs et son symbole est C. Un coulomb représente la charge cumulée de 6,25 x 1018 électrons.
La charge de l’électron vaut –1,6 x 10-19 C. De même toute charge électrique est un multiple entier de la charge élémentaire de l’électron qui est la plus petite charge identifiée dans l’univers.
L’existence des charges électriques a été mise en évidence à travers les forces spécifiques qui s’exercent entre celles-ci. Ces forces ont été étudiées par Charles-
Auguste Coulomb et les résultats de ces expériences ont été synthétisés par la loi qui porte son nom. L’équation de cette loi est la suivante :
F= k×Q1×Q 2 d ²
dans laquelle on a :
F = la force d’attraction ou de répulsion exercée entre les deux chargesponctuelles en Newton;
Q1= la première charge en Coulomb;
Q 2= la deuxième charge en Coulomb;
d = la distance séparant les deux charges en mètres;
- = constante de proportionnalité qui dépend des propriétés électriques du milieu où se trouvent les charges.
Les forces de répulsion s’exercent entre charges de même polarité pendant que les forces d’attraction s’exercent sur les charges de polarité opposée. L’orientation des forces colombiennes est donnée par la droite des 2 corps ponctuels.
La charge électrique modifie les propriétés de son environnement de manière qu’elle exerce des forces de nature électrique sur toute autre charge qui y serait placée. Ces forces peuvent déplacer cette autre charge tout en effectuant un travail mécanique. On introduit une grandeur physique appelée potentiel électrique afin de caractériser le champ électrique dans un point de la manière suivante : Soit une charge électrique ponctuelle et fixe dans l’espace, le potentiel électrique dans un point est le rapport entre le travail mécanique effectué pour déplacer une autre charge q du point considéré jusqu'à l’infini et la valeur de cette deuxième charge.
L’expression mathématique du potentiel électrique est :
V A =Wq
V A = le potentiel dans le point A
W = le travail mécanique des forces électriques pour déplacer la charge q dupoint A à l’infini.
Le potentiel électrique s’exprime en Volts (symbole V).
Une autre grandeur que nous rencontrerons très souvent c’est la tension électrique. Par définition la tension entre deux points est la différence des potentiels électriques correspondant aux deux points.
La tension électrique est appelée aussi différence de potentiel (d.d.p.) par des raisons évidentes ou encore force électromotrice (f.é.m.).
La relation mathématique de la tension est :
UAB = VA - VB
| UAB = | la tension (d.d.p.) entre les points A et B | ||
| VA | = | le potentiel dans le point A | |
| VB | = | le potentiel dans le point B | |
L’unité de mesure de la tension est la même que celle du potentiel, le Volt.
L’électricité dynamique étudie les phénomènes concernant le déplacement decharges électriques dans un conducteur.
Dans le cas des conducteurs les électrons de valence sont assez éloignés par rapport au noyau de l’atome auquel ils appartiennent afin que les forces d’attraction qui s’exercent sur eux soient négligeables.
Lorsque le conducteur est soumis à une action externe qui se manifeste par des forces exercées sur les électrons dans un sens bien déterminé, ceux-ci acquièrent un déplacement ordonné qui détermine un transport de charges électriques. Cedéplacement ordonné d’électrons à travers un corps conducteur défini le courant électrique.
La grandeur qui caractérise le courant électrique s’appelle l’intensité. L’intensité s’exprime par le rapport entre la charge transportée par le courant à travers une section transversale du conducteur durant un certain temps et la valeur de cette période de temps.
La relation mathématique de l’intensité est :
I =Qt
I = l’intensité du courant
Q = la charge transportée dans la période t par une section transversale duconducteur
L’intensité s’exprime en ampères (symbole A) et son instrument de mesure est l’ampèremètre.
L’apparition du courant électrique est liée à l’existence des forces (dans la plupart des cas électriques) qui s’exercent sur les électrons. Ces forces peuvent apparaître lorsqu’on réalise entre les extrémités du conducteur une différence de potentiel, autrement dit, si on applique une tension aux extrémités du conducteur.
Le sens conventionnel correspond au déplacement des charges positives, donc du pôle positif (+) au pôle négative (-). Dans les gaz et les liquides on trouve des porteurs de charges positifs ayant en effet ce déplacement. Dans le cas des conducteurs les seuls porteurs de charge sont les électrons. Leur déplacement se fait dans le sens contraire au sens conventionnel.
Le sens électronique c’est le sens réel de déplacement des électrons, du pôle négatif (-) vers le pôle positif (+).
1.2. Circuits électriques
1.2.1. Types de courant électrique
Le courant électrique représente le déplacement ordonné des porteurs de charges (les électrons dans le cas des conducteurs). La manière d’après laquelle ce déplacement se produit détermine le type du courant. Les principaux types de courant sont : le courant continu, le courant alternatif et le courant pulsatif.
Le courant continu est un courant de valeur et de sens demeurant constants. Les piles et les accumulateurs sont les principales sources de courant continu. La représentation graphique d’un courant continu est montrée sur la fig. 1-2.
Le courant alternatif est un courant dont la valeur et le sens changent périodiquement. Il passe d’une valeur maximale positive à une valeur négative maximale tout en passant par le zéro. Puis il retourne à zéro et à sa valeur positive maximale et le cycle recommencent (fig. 1-3). Il est produit de manière industrielle par les alternateurs.
I +
| t |
I -
Fig. 1-2
I +
| t |
I -
Fig. 1-3
Le courant pulsatif est un courant dont la valeur change périodiquement, mais dont le sens reste toujours le même (fig. 1-4). Le courant pulsatif est obtenu par le redressement du courant alternatif.
I -
Fig. 1-4
1.2.2. Effets du courant électrique
Toute application du courant électrique utilise un de ses effets. Bien que nombreux et variés ils peuvent être regroupés en trois types : thermique, chimique et magnétique.
L’effet thermique consiste en la production de la chaleur par un courant dans leconducteur traversé par celui-là (effet Joule). Cet effet est utilisé dans certains appareils électroménagers (chaufferettes, fer à repasser, cuisinières etc.) et dans la production de la lumière dans les ampoules électriques (le filament porté à la température d’incandescence émet de la lumière). Il s’avère fort nuisible dans la plus grande partie des cas en étant la cause de la surchauffe des conducteurs.
L’effet chimique est caractéristique seulement au courant continu et consiste en ladécomposition par celui-ci des différents composants chimiques (l’électrolyse). Cet effet a beaucoup d’applications parmi lesquelles on peut citer : la galvanoplastie (plaquage avec de l’or, de l’argent ou du chrome), le raffinage de métaux légers tels que l’aluminium, le magnésium, le cuivre.
L’effet magnétique consiste en la production d’un champ magnétique autour d’unconducteur parcouru par un courant électrique. La plupart des appareils électriques, tels que relais, transformateurs, machines tournantes, mettent à profit cet effet du courant. Comme conséquences nuisibles de cet effet on peut mentionner l’interférence sur les ondes radios observée à la proximité d’une ligne de haute tension.
1.3. Circuits à courant continu
Les appareils électriques, électroniques ou électromécaniques sont tous des consommateurs d’énergie électrique qui leur est fournie dans le cadre d’un circuit électrique.
Un circuit électrique est composé :
- d’un générateur de force électromotrice (source de tension) ;
- d’un ou plusieurs récepteurs d’énergie électrique ;
- d’un système de transmission de l’énergie électrique ;
- d’accessoires pour la commande ou la protection du circuit.
Le système de transmission de l’énergie électrique est constitué par l’ensemble d’éléments conducteurs servant au transport du courant électrique des générateurs électriques aux récepteurs. Ce système est constitué par les conducteurs, les câbles et les raccords.
La source de tension est un appareil qui fournit la force électromotrice nécessaire pour engendrer le courant électrique dans un circuit électrique.
Les sources de tension en courant continu peuvent être une pile, un accumulateur, une pile solaire, une dynamo, un thermocouple ou un dispositif piézo-électrique.
La pile est un générateur électrique qui transforme directement l’énergie chimique en énergie électrique. Elle est constituée par deux métaux différents immergés dans une solution acide appelée électrolyte. Actuellement l’électrolyte n’est plus liquide mais plutôt pâteux et les piles s’appellent sèches.
La tension des piles ne dépasse pas 1,6 V. Lorsqu’on groupe de manière convenable plusieurs piles on peut obtenir des tensions plus élevées.
Les piles ont des applications multiples. Les piles au carbone – zinc sont utilisées dans les jouets, lampes de poches, etc. Pour les appareils photo ou les petits moteurs sont préférées les piles alkalino-manganèse en raison de leur longue vie. Grâce à leur petite taille et à leur tension constante, les piles à mercure et à argent sont utilisées pour les montres électroniques, les prothèses auditives.
Les accumulateurs, appelés aussi piles secondaires, diffèrent des piles primaires dans le sens que leur processus est réversible. Ainsi un accumulateur complètement déchargé peut être rechargé, en faisant circuler un courant inverse, à l’aide d’une source extérieure de tension appelée chargeur, ce qui conduit à reconstituer ses électrodes. C’est un grand avantage qui rend les accumulateurs utilisables dans beaucoup de domaines comme sources d’énergie auxiliaire ou d’urgence, ou encore comme sources dans les appareils mobiles comme les automobiles, les voitures électriques, les avions.
Selon l’application on distingue deux types d’accumulateurs :
- L’accumulateur au plomb se caractérise par une grande capacité électrique et une durée de service en quelque sorte réduite. Il est utilisé pour les appareils mobiles.
- L’accumulateur au nickel - cadmium peut fournir de grandes puissances pendant de courtes périodes de temps. Il est très fiable et peut durer plus de 15 ans sans entretien ce qui le rend convenable comme source d’énergie auxiliaire ou d’urgence.
Les batteries sont des groupements de piles primaires ou secondaires raccordées ensembles pour fournir une tension plus élevée ou une capacité énergétique plus grande. Ce regroupement est enfermé dans un boîtier.
Les symboles normalisés utilisés pour les piles et pour les batteries sont représentés sur la fig. 1-5.
Dans les deux symboles, le trait court représente la borne négative alors que le trait long désigne la borne positive.
Fig. 1-5
1.3.1. Résistance
Les résistances sont des dipôles passifs dans lesquels toute l’énergie électrique mise en jeu est convertie en chaleur par effet Joule.
D’après leur construction on distingue :
- des résistances bobinées;
- des résistances au carbone.
Les résistances bobinées sont fabriquées en enroulant un fil métallique ou un ruban métallique autour d’un noyau isolant. La valeur de la résistance est déterminée par la longueur du fil et par la résistivité du matériel.
Le domaine des valeurs des résistances bobinées commence de quelques ohms et arrive jusqu'à plusieurs milliers d’ohms. La puissance de ces résistances, c’est-à-dire la quantité de chaleur qu’elles peuvent évacuer sans subir de dommage, se situe entre cinq et plusieurs centaines de watts.
Les résistances au carbone sont réalisées de particules de carbone au graphite mélangé à un matériel isolant en poudre (fig. 1-6). La proportion de ces éléments dans le mélange détermine la valeur de la résistance. Quant aux valeurs de celle-ci, on les retrouve de 1 à 22 000 000 ohm. Les valeurs de la puissance des résistances au carbone sont normalisées dans les cadres de : 0,1 W; 0,125 W; 0,25 W; 0,5 W; 1 W et 2 W.
Fig. 1-6
Les résistances présentées auparavant se caractérisent par la valeur fixe de leur résistance. La technique moderne emploie fréquemment des résistances variables, pour lesquelles on peut faire varier la valeur de leur résistance. Selon leur usage, elles sont appelées :
- rhéostats;
- ou potentiomètres.
Les rhéostats sont des résistances variables utilisées pour régler le courant dans un circuit. Leur gabarit est supérieur à celui des potentiomètres et leur diamètre peut atteindre 150, voire 200 mm. L’élément résistant d’un rhéostat est représenté par un seul fil. Les rhéostats sont munis de deux ou trois bornes. L’une d’elles est raccordée au contact mobile et l’autre (les autres ) à une extrémité (aux extrémités ) de l’élément résistant.
Les potentiomètres sont des résistances variables utilisées pour le réglage de la tension d’un circuit. Ils ont trois bornes et son diamètre ne dépassent pas 12 mm. L’élément résistant et réalisé en carbone (fig. 1-7).
SOMMAIRE
Présentation du Module........................ 7
RESUME THEORIQUE ........................ 8
1. NOTIONS DE BASE D’ELECTRICITE ..................... 9
1.1. Notions de courant et de tension...................... 9
1.1.1. Structure de la matière ................ 9
1.1.2. Structure de l’atome................... 10
1.1.3. Classification des corps ............. 11
1.1.4. Domaines de l’électricité............ 12
1.2. Circuits électriques ........................ 16
1.2.1. Types de courant électrique ....................... 16
1.2.2. Effets du courant électrique ........................ 18
1.3. Circuits à courant continu.............. 19
1.3.1. Résistance ................ 21
1.3.2. Condensateur ........... 23
1.3.3. Inductance ................ 25
1.4. Lois fondamentales ....................... 26
1.4.1. Loi d’Ohm ................. 26
1.4.2. Loi des nœuds .......... 27
1.4.3. Loi des mailles .......... 28
1.5. Associations des récepteurs ......... 29
1.5.1. Montage en série ....................... 29
1.5.2. Montage en parallèle ................. 31
1.5.3. Montage mixte .......... 34
1.5.4. Groupement des piles................ 35
1.6. Notions d’énergie et de puissance ................. 37
1.6.1. Energie ..................... 37
1.6.2. Puissance ................. 37
1.6.3. Loi de Joule .............. 38
1.7. Circuit à courant alternatif ............. 40
1.7.1. Types de courants alternatifs et leurs caractéristiques principales ................ 40
1.7.2. Puissance en alternatif .............. 46
2. MESURES ELECTRIQUES................... 47
2.1. Appareils de mesure électriques .................... 47
2.1.1. Appareils analogiques ............... 48
2.1.2. Appareils numériques ................ 51
2.2. Ampèremètre................ 52
2.3. Voltmètre...................... 54
2.4. Ohmmètre .................... 55
2.4.1. Ohmmètre analogique ............... 55
2.4.2. Ohmmètre numérique................ 57
2.4.3. Mégohmmètre (Ohmmètre à magnéto) ...... 57
2.4.4. Mégohmmètre numérique.......... 59
2.5. Multimètre .................... 60
2.6. Pince ampèremétrique .................. 63
2.7. Wattmètre..................... 63
GUIDE DE TRAVAUX PRATIQUES 67
TP1 – Mesure de l’intensité et de la tension en continu 68
TP 2 – Mesure de continuité 71
TP3 - Etude d’une résistance 74
TP4 – Mesure d’isolement 77
TP 5 – Mesure de la résistance d’une prise de terre 83
EVALUATION DE FIN DE MODULE 86
Liste des références bibliographiques 91