QUELQUES NOTIONS D'ELECTRICITE

Qu'est ce que l'électricité ? (Comparaisons physiques avec les liquides). L'électricité est un phénomène naturel que l'on rencontre dans de nombreux cas de la vie courante et sous les formes les plus diverses (attirance de corps entre eux, foudre, arc électrique, commande musculaire à partir du cerveau, poissons électrique).

L'électricité a été découverte par Thalès au 7ème siècle avant J.Christ sous forme électrostatique, c'est à dire attirance de deux corps entre eux. Ex : règle - papier.

Il a fallu attendre 1800 pour que la première pile soit réalisée par VOLTA. C'était la naissance de l'électricité au service de l'homme. Depuis ses applications dans tous les domaines n'ont cessé d'être développées sous les formes les plus diverses (énergie mécanique, calorifique, lumineuse, acoustique, chimique ... ).

Comme son nom l'indique, l'électricité vient du nom électron (ambre jaune = attirance de corps par frottement). Un courant électrique dans un fil est un déplacement d'électrons au même titre qu'un courant d'eau dans un tuyau est équivalent à un déplacement de molécules d'eau. L'électricité est définie physiquement à l'aide de deux notions très importantes : le courant et la tension.

B - LES GRANDEURS ELECTRIOUES USUELLES.

Pour expliquer les phénomènes électriques simples, on a généralement recours aux analogies hydrauliques. Tout comme il est possible de mesurer la quantité d'eau qui passe dans un tuyau durant un temps déterminé, il est possible de mesurer la quantité d'électricité passant dans un conducteur durant un temps donné.

L'unité de quantité d'électrons en mouvement dans un conducteur ou, plus usuellement, l'unité de quantité d'électricité circulant dans un conducteur est le Coulomb. Dans certains cas, cette unité est insuffisamment précise. En effet, si nous reprenons l'analogie hydraulique, 100 litres d'eau par exemple peuvent s'écouler dans un tuyau en une heure ou en une minute ; il est donc indispensable de préciser le temps.

Il en va de même en électricité où 1 coulomb peut circuler en une minute ou en une seconde, par exemple. Aussi a-t-on créé l'unité d'intensité d'électricité qui est la quantité d'électricité (en l'occurrence 1 coulomb) circulant dans un conducteur durant une seconde ; cette unité s'appelle l'ampère (symbole : A).

En électronique, l'ampère est une unité qui se montre souvent trop grande. Aussi emploie-t-on plus fréquemment les sous-multiples suivant
- le milliampère (ou millième de l'ampère); symbole : mA
- le microampère (ou millionième de l'ampère, ou encore millième du milliampère) ; symbole : µA.

Définissons maintenant la notion de tension ou différence de potentiel. En regardant l'expérience 1 nous rappellerons que le mouvement d'électrons sera d'autant plus important que le potentiel du pôle positif (+) de la pile sera élevé ou, en d'autres termes, que la différence de potentiel entre les deux pôles de la pile sera importante ; encore que ce mouvement d'électrons (intensité) puisse être modifié par la résistance du conducteur.

Revenons encore une fois à l'analogie hydraulique. Supposons deux vases communicants contenant de l'eau et relies entre eux par un tuyau souple en caoutchouc. Soulevons l'un des vases ; l'eau s'écoulera du vase supérieur au vase inférieur ; cet écoulement est l'intensité qui sera d'autant, plus grande que :
1 - la section du tuyau sera importante (résistance plus faible)
2 - la différence de niveau entre les vases sera grande (différence de potentiel plus grande).

Nous avons vu précédemment qu'en expliquant les notions de tensions et de courants, est apparu un autre paramètre qui était le dimensionnement du tuyau. Pour une différence de hauteur donnée, le débit d'eau dans un tuyau sera d'autant plus important que le tuyau est d'un grand diamètre. De même en électricité, le courant électrique pour une tension donnée est d'autant plus grand que la résistance diminue.

La résistance est comparable à une route que se rétrécit, où l'on pourrait imaginer deux véhicules roulant côte à côte, étant obligés d'aborder une route simple voie.

La vitesse d'écoulement des véhicules sera d'autant réduites que le rétrécissement sera important. Une résistance électrique se comporte de la même façon. En 1827 Ohm énonce la loi fondamentale de l'électricité : V = RI ou V est la tension en Volts, R la résistance en Ohms et I le courant en Ampères.

Une résistance de 1 Ohm est la résistance qui soumise à une tension de 1 volt se verra traversée par un courant de 1 A.

D - DIFFERENTES FORMES DE TENSIONS USUELLEMENT UTILISEES

1. La tension continue

Dans tous les exemples vus précédemment, nous n'avons parlé que de cas où le courant se déplace toujours dans le même sens (ce type de courant est toujours délivré par une alimentation continue stabilisée).

2. La tension alternative

Elle est fournie par une source de courant qui change de valeur et de polarité à ses bornes en fonction du temps.
Exemple : Si à chaque instant T/2 on change le sens de la pile d'alimentation on obtient le graphe ci-dessous :

Nous avons ici une notion de période et de fréquence que nous expliquerons plus tard. Le type de signal que nous venons de voir est appelé signal carré.

3. Le signal sinusoïdal

Ces signaux ont comme leur nom l'indique, une forme sinusoïdale, c'est à dire que la tension aux bornes du générateur varie comme une fonction sinus. Ex : le secteur EDF.

Visualiser le secteur à l'aide d'un transformateur.

Il apparaît sur le dessin précédent que la tension délivrée par la phase, part d'une valeur nulle et augmente jusqu'à une valeur maximum, diminue, s'annule, augmente de façon négative jusqu'à un minimum et réaugmente jusqu'à ce qu'elle revienne à l'état précédent. Ce phénomène se perpétue continuellement de façon identique. Nous insistons sur le fait que le signal de 0 à T est identique à celui de T à 2T. Le temps nécessaire pour accomplir un cycle est appelé Période. Le nombre de périodes dans une seconde est appelé Fréquence. Dans le cas du courant EDF, nous avons 50 périodes par seconde, d'où le 50 Hertz.

E - NOTION DE FREQUENCE

Le fréquence s'exprime en hertz (Hz). Ses multiples sont le KHz (1000Hz), le MHz (1 million d'Hz) le GHz (1 milliard d(Hz).

F - NOTIONS D'ELECTROMAGNETISME

1. Le Magnétisme : Tout le monde a déjà vu des aimants qui se repoussent ou s'attirent selon les polarités que l'on rapproche.

Bien que les aimants ne se touchent pas, on s'aperçoit qu'une force mécanique est engendrée (attirance, répulsion). La cause qui induit ce phénomène est le champ magnétique. Celui-ci n'est pas visible ni palpable. Le champ magnétique d'un aimant peut être mis en évidence avec l'expérience suivante :

SPECTRE MAGNETIQUE

Sur une table, plaçons un aimant, recouvrons le d'une feuille de papier, saupoudrons la feuille de papier avec de la limaille de fer, il apparaît que la limaille de fer se déplace et s'oriente pour constituer un dessin curieux appelé fantôme magnétique. En vérité, ce dessin curieux représente les lignes de forces de l'aimant qui calquent le champ magnétique de celui-ci.

Suivant la grosseur de l'aimant, on s'aperçoit que l'attirance d'un bout de fer est plus ou moins grande. Ceci prouve que le champ magnétique dépend de plusieurs critères : taille de l'aimant, qualité de l'aimant ...
Nous nous apercevons que l'air sert de support aux lignes de forces du champ magnétique. L'aimant naturel que nous venons de voir peut être crée de façon artificielle à l'aide d'une bobine parcourue par un courant électrique.

Un courant électrique traversant un conducteur induit autour de celui-ci un champ magnétique.

Pour établir une transmission à grande distance, il suffit d'injecter dans ce conducteur un courant alternatif HF compris entre 100 KHz et plusieurs milliers de MHz. Le conducteur présentera la caractéristique de rayonner un champ magnétique capable de parcourir de grandes distances sans trop d'atténuation. Il a été démontré par le physicien Maxwell, qu'à ce champ magnétique venait se superposer un champ électrique. Ceci est appelé dualité du champ. Ce que l'on appelle ondes électromagnétiques. Ceci a été exploité à des fins de communications à distance, sans fil (radiocommunications). Inversement, si un fil électrique aussi appelé antenne est soumis à un champ électromagnétique, il apparaît aux bornes de celui-ci un courant électrique dans l'antenne de même fréquence que celle du champ inducteur (onde).