L’électricité


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Signal électrique

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Les phénomènes électriques et magnétiques s’expliquent grâce à l’interaction électromagnétique. L’interaction électromagnétique est une force répulsive ou attractive qui agit sur les objets ayant une charge électrique. Par exemple, par analogie aux aimants, deux objets de charges électriques de même signes se repoussent alors que deux objets de charges électriques de signes opposés s’attirent.

Comme nous le savons, l’atome est constitué d’un noyau atomique, lui même constitué de protons chargés positivement et de neutrons électriquement neutres autour duquel gravitent des électrons charges négatives, répartis sur une ou plusieurs orbites ou couches. Sachant qu’il existe un nombre égal d’électrons et de protons, les chargent s’annulent et l’atome est électriquement neutres.

Sous certaines conditions, les électrons peuvent être amenés à se déplacer, on parle de mobilité. Le déplacement qui en résulte s’appelle le courant électrique.

Remarque : Le courant électrique peut aussi être transporté par des ions.

Les matériaux qui contiennent de fortes densités d’électrons libres (forte mobilité) ou d’ions sont appelés conducteurs comme le cuivre, le fer, etc… Par ailleurs, d’autres matériaux, comme le caoutchouc ou le verre, sont configurés de telle sorte que la mobilité est faible rendant difficile l’apparition d’un flux d’électrons, on parle d’isolants. Il existe également des matériaux à la frontière des conducteurs et des isolants appelés semi-conducteurs. Pour faire simple, à basse température ils sont isolants et à haute température ils sont conducteurs.

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Différence de potentiel électrique

Le potentiel électrique, exprimé en volts (V) correspond à l’énergie potentielle électrostatique que posséderait une charge électrique située en un point de l’espace, c’est-à-dire à l’énergie potentielle (mesurée en joules) d’une particule chargée en ce point divisé par la charge (mesurée en coulombs) de la particule.

Ensuite, la différence de potentiel électrique, exprimée en volts (V) correspond à l’énergie potentielle électrostatique que posséderait une charge électrique entre deux points de l’espace ou d’un circuit.

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Différence de potentiel

Par exemple, sur ce schéma électrique, on a VA et VB représentant des potentiels électriques en un point du circuit. De même, UAB = VB – VA représente une différence de potentiel électrique entre le point B et le point A. Notons que la plupart du temps on se réfère à la masse (référence) tel que VA = 0 V.

Ce sujet est abordé en détail dans l’article de cours sur la différence de potentiel.

Remarque : On réserve le terme force électromotrice (f.é.m.) à la source. Les termes tension et différence de potentiel s’appliquent à n’importe quelle portion du circuit.

On assimile le terme de différence de potentiel électrique à une tension électrique U en volt (V). C’est le cas uniquement en régime stationnaire (voir plus bas). Par contre, dans le cas général, la tension et la différence de potentiel ne sont plus synonymes du fait que l’on soit en régime variable (champ électrique non-conservatif). Dans ce cas là, on ne parle plus de différence de potentiel mais uniquement de tension.

/!\ On ne mesure pas des potentiels mais des différences de potentiel.

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Courant électrique

Comme nous l’avons vue précédemment, le courant électrique est le déplacement de porteurs de charges électriques, généralement des électrons, au sein d’un matériau conducteur. Le sens du courant électrique dépend du dipôle :

  • Si le dipôle est en convention « générateur », alors, la tension et le courant sont orientées dans le sens contraire.
  • Si le dipôle est en convention « récepteur », alors, la tension et le courant dont orientées dans le même sens.

On distingue deux sortes de courants :

  • Le courant continu ou CC (DC pour direct current en anglais) est un courant électrique dont la tension est indépendante du temps (constante). C’est, par exemple, le type de tension délivré par les piles ou les accumulateurs.
  • Le courant alternatif (AC pour alternating current en anglais ) est un courant électrique dont les électrons circulent alternativement dans une direction puis dans l’autre à intervalles réguliers (deux fois par période). Un courant alternatif a donc une composante continue (valeur moyenne) nulle.

On assimile le terme de courant électrique à intensité électrique I en Ampère (A).

Pour bien différencier de façon simple les notions de courant et de tension, l’analogie de l’écoulement d’un fleuve est une brillante illustration.

Courant tension chute d'eau

La différence d’altitude (dénivelé) entre le point haut et le point bas du fleuve représente la différence de potentiel (ou tension), l’intensité du courant est assimilable au débit du fleuve. Dans le cas de l’écoulement du fleuve, c’est le dénivelé qui met l’eau en mouvement et dans notre cas, c’est la différence de potentiel qui met les électrons en mouvement.

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De la source au récepteur

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Un circuit électrique est composé d’une ou plusieurs sources d’énergie, de connecteurs et de récepteurs.

En physique, il est inconvenant de parler d »énergie électrique » car en réalité l’énergie électrique ne peut pas être stockée en grande quantité. On retrouve seulement de petites quantités de charges électriques peuvent être stockées sous forme d’énergie dite électrostatique par exemple dans les condensateurs. Cette formulation reste néanmoins très présente grâce au fait qu’elle permet d’indiquer que l’électricité nécessite et transporte de l’énergie.

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Source

Afin de stocker de l’énergie électrique, il faut utiliser un convertisseur capable de stocker l’énergie reçue. Il existe de nombreuses sources :

  • Sources électrochimiques : pile – accumulateur – batterie (plusieurs accumulateurs)
  • Source électromécanique : alternateur – éolienne
  • Source photovoltaïque…

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Connecteurs

Ensuite, les connecteurs sont très souvent des câbles électriques en cuivre, or… isolés pour éviter tout dysfonctionnement.

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Récepteurs

Les récepteurs sont les dipôles qui vont recevoir et consommer l’énergie électrique fourni par la source. Il en existe des centaines de milliers mais voici les plus couramment utilisés :

  • Résistance en Ohms (Ω)
  • Condensateur (capacitance) en Farads (F)
  • Bobine (inductance) en Henry (H)

Dans un circuit avec une résistance, il est possible de calculer la tension aux bornes de celle-ci à partir de la loi d’Ohms :

De même, dans un circuit avec une inductance, il est également possible de calculer la tension aux bornes de celle-ci à partir de cette loi :

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Instruments de mesure

Sans passer par ces différentes lois, il est également possible de déterminer toutes les mesures que l’on souhaite à partir d’instruments de mesures. La tension en un point du circuit se mesure partir d’un voltmètre. Il doit être placé en dérivation.

Voltmètre

De même, un oscilloscope permet d’afficher l’allure du signal, sa tension, sa fréquence, etc… et même faire des mesures à partir du signal affiché. Il doit également être placé en dérivation.

Ce sujet est abordé en détail dans l’article de cours sur comment faire des mesures avec un oscilloscope ?

L’ampèremètre, quant à lui mesure l’intensité du courant électrique qui le traverse. Il doit être placé en série.

Ampèremètre

L’ohmètre permet de mesurer la résistance aux bornes d’un dipôle. Il doit être placé en dérivation. Cette fonction peut être réaliser par un multimètre.

Il existe énormément d’appareils de mesures comme le wattmètre, la pince ampèremétrique, l’inductancemètre, le fréquencemètre, … mais aussi le multimètre qui permet d’associer plusieurs mesures sur un seul et unique appareil.

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Caractéristiques

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Comme nous l’avons vue précédemment, la tension électrique peut varier au cours du temps, elle se note donc u(t), de même pour l’intensité électrique i(t). Prenons comme premier exemple, un signal électrique quelconque non périodique :

Signal quelconque

On voit que ce signal varie au cours du temps et qu’il possède une valeur moyenne noté Umoy.

Au vue, de ce signal, on comprend qu’il est donc important de savoir différencier les différents signaux électriques que l’on peut être amené à rencontrer.

Le signal stationnaire est constant au cours du temps, sa tension ne varie pas. Il n’a qu’une composante continue Umoy.

Signal stationnaire

Dans le cas général,

Ensuite, on distingue également le signal sinusoïdal (ou cosinusoïdal) auquel sa tension varie au cours du temps de manière périodique.

Signal sinusoïdal

Sa composante continu est nulle, il n’a donc qu’une composante alternative cosinusoïdale ou sinusoïdale tel que :

Umax : amplitude maximal (valeur de crête) en V
ω : pulsation (ω = 2πf) en rad.s-1
t : temps en s

φ : phase à l’origine en rad

Remarque : ωt + φ est la phase instantanée.

Et pour finir, le signal périodique ou signal sinusoïdal à composante variable.

Signal périodique1

En « ajoutant » le signal stationnaire au signal sinusoïdal, on obtient le signal périodique, tel que :

U0 : valeur moyenne

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Valeur efficace

La valeur efficace, dite aussi valeur RMS (de l’anglais root mean square, moyenne quadratique) d’une tension (ou d’un courant), correspond à la valeur d’une tension (ou d’un courant) continue qui aurait les mêmes effets (échauffement identique) sur une résistance tel que :

Lorsque la tension alternative est sinusoïdale, on a :

Et dans le cas où la tension alternative est triangulaire, on a :

Remarque : Que l’on parle de tension ou d’intensité, le calcule est le même, il suffit juste de remplacer toutes les tensions ou toutes les intensités.

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