LES BASES DE L’ELECTRICITE
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/ Qu'est-ce que l'électricité ?
Afin de
comprendre ce qu'est l'électricité, nous devons nous
pencher sur la physique. Nous ne pouvons en effet pas faire
autrement que d'expliquer les principaux termes et éléments par des
images, des représentations et des exemples. Le principal problème
est que le courant électrique ne se voit pas, ne se sent pas ni ne
s'entend. On ne reconnaît l'électricité qu'au travers de l'effet qu'elle
produit. Empruntons donc le même chemin que les scientifiques:
ayons recours à des images, des modèles et des calculs.
Effets du courant électrique :
• lumière (un peu d’histoire…)
- Quand le filament d’une lampe chauffe au point de s’illuminer il nous projette des photons (comme le soleil).
- Après la surtension d’amorçage d’un tube fluorescent des électrons entrent en contact avec des atomes de mercure en provoquant
des rayonnements Ultra-violets, ces rayons filtrés par le tube deviennent de la lumière visible.
• chaleur
Dans un four électrique, dans le lave-linge ou le lave vaisselle, la « loi d’ohm » est utilisée pour fournir de la chaleur à l’aide d’une résistance.
• magnétisme (force)
Quand j’utilise un « aimant » pour maintenir une carte postale sur mon réfrigérateur j’utilise un matériau qui est « polarisé ».
Cette polarisation peut être obtenue avec l’électricité…
(les anciennes sonneries fonctionnaient avec le même principe).
• chimie (électrolyse)
Lorsque « le circuit est fermé », le courant circule, sur une des électrodes la matière diminue et sur l’autre elle augmente de volume…
• physiologie (médecine)
La lumière du soleil serait en fait une projection de « particules » (photons) qui en percutant le panneau solaire entraîne le déplacement d’électrons…
Les molécules sont constituées d’atomes et les atomes sont
constitués d’électrons, si les électrons se déplacent on peut
parler de courant ELECTRIQUE…
Première manifestation visible de l'électricité pour les humains. On peut observer le déplacement des « charges électriques » entre la masse nuageuse et le sol.
2 / Structure de l'atome
En principe, un atome se compose d'un noyau et d'un nuage
électronique. Le noyau de l'atome comprend des protons et des
neutrons. Des électrons tournent en orbite autour du noyau de
l'atome.
Potentiel (ou charge) des constituants de l’atome:
Le noyau composé de neutrons et de protons (charges +)
Le nuage électronique composé d'électrons (charges -)
L'unité
de charge électrique est le coulomb (symbole: C)
Un électron a une charge négative -e = - 1,6 x 10-19
coulombs
Il faut donc 6,24 x 1018 électrons pour obtenir une
charge de -1 C
2.1 / Les conducteurs
Dans les matériaux conducteurs, les électrons situés sur la dernière couche (la plus éloignée du noyau) peuvent se déplacer d’atome en atome.
Quand le conducteur n’est pas connecté à une « source de tension », ces électrons « libres » se déplacent de manière désordonnée et ne produisent aucun effet visible.
Si ce
conducteur est connecté à une « source de tension » dans un
« circuit fermé », les électrons libres sont poussés à se déplacer de
manière ordonnée dans le circuit.
Ce
déplacement d’électrons est appelé COURANT ELECTRIQUE. L’unité du courant
électrique : l’AMPERE.
Soit ΔQ la quantité
d’électricité ayant traversé une section droite d’un conducteur pendant
une durée Δt.
On peur calculer l’intensité du courant électrique dans
ce conducteur à l’aide de la relation suivante :
I =
ΔQ/ Δt
I en ampère (A)
ΔQ en
coulombs (C)
Δt en secondes (s)
2.2 / Les isolants
Contrairement aux matériaux conducteurs, dans les matériaux isolants les électrons libres sont « rares » voire inexistants, donc il ne peut pas avoir de circulation de courant.
Cette propriété est
d’ailleurs recherchée lorsque l’on veut limiter les échanges d’énergie entre
deux systèmes (exemple: verre, matière plastique).
Complexe tuyau + isolant câble électrique (multiconducteurs)
2.3 / La liste triboélectrique (électrisation par contact)
La
liste (ou série) triboélectrique est une liste ordonnée de matières qui permet
de prévoir le signe des charges qu'elles auront lorsqu'on les frotte.
Exemple: peau de lapin, verre, mica, laine, peau de chat, bois,
aluminium, coton, ambre, ébonite, plexiglas, nylon
Lorsqu'on frotte une matière A avec une matière B
placée après elle dans la liste, A se charge positivement, B se charge
négativement. En tête de liste on trouve les matières qui ont plutôt tendance à
perdre des électrons et en fin de liste les matières les plus
"avides" d'électrons.
Par exemple, le verre frotté contre la laine, la peau de chat, le coton ou le
nylon sera toujours positif. Par contre, frotté contre une peau de lapin, le
verre sera négatif.
2.4 / Expériences d’ électrostatique
http://www.sciences.univ-nantes.fr/
3 / Les circuits électriques
L’électricité (charges), ou le courant électrique (déplacement de charges) est donc observable.
L’ELECTROTECHNIQUE, c’est l’étude des techniques qui permettent de maîtriser ces déplacements de charges dans un circuit électrique.
Les domaines concernés sont la production, le transport, la distribution, le traitement, la transformation, la gestion et l'utilisation de l'énergie électrique.
Toute les situations où des charges peuvent circuler dans des corps conducteurs, peuvent être considérées comme étant des « circuits électriques potentiels ».
Une coupure de ce circuit ne met pas pour autant à l’abri des dangers du courant électrique !
Le choix des isolants avec leur RESISTANCE appropriée, ou des distances minimales pour éviter un éventuel amorçage du passage du courant électrique
ne sont pas les seuls paramètres à prendre en compte. L’autre paramètre en question qui est moins observable, la TENSION ou DIFFERENCE de POTENTIEL
est liée à l’existence de charges entre deux points distants.
Exemples de circuits où l’on retrouve les 3 éléments nécessaires pour qu’il y ait circulation de courant électrique :
-
Pile + fils +
lampe ;
-
Prise de courant
+ câble + radiateur ;
-
Appareil électroménager
défectueux + sol + utilisateur ;
-
Nuages/terre + air +
arbres ;
La loi d'Ohm relie l'intensité i du courant à la valeur R de la résistance et à la tension U entre ses bornes par la relation U = R.I (convention récepteur)
Représentation schématique d'une résistance parcourue par un courant.