Initiation à l’électricité

Le courant électrique.

C’est un déplacement de grains de matière dans un sens donné.

D’où vient-il ?

Du plus profond de la matière, il s’agit d’électrons qui se déplacent d’une manière forcée.

Rappels :

Les électrons sont une des constituantes d’un atome, lui même étant le plus petit grain de matière tiré d’un corps pur et possédant encore toutes les caractéristiques de ce corps pur.

Certaines conditions :

- Magnétique

- Thermique

- Électrostatique

- Chimique.

- Mécanique.

Peuvent obliger les électrons à se déplacer.

Þ S’il y a déplacement des électrons, d’un point de départ

« A » vers un point « B »

Il y aura courant électrique !

Le déplacement électronique s’effectue par bond, d’un atome vers un autre.

Un électron libre va prendre la place d’un électron tournant autour d’un noyau d’un atome.

Un électron va être expulsé et devenir à son tour « libre ».

Remarque :

Les corps qui possèdent et laissent les électrons les plus libres, sont des matériaux qui conduisent le mieux l’électricité.

Ils sont qualifiés comme étant des conducteurs.

A l’inverse,

Les corps seront qualifiés comme des isolants.

Les électrons sont invisibles à nos sens et de ce fait dangereux.

Chacun des électrons amène de l’énergie !

Þ Plus le nombre d’électrons se déplaçant est élevé, plus il sera possible de faire travailler ce courant électrique.

Le travail se caractérisera par une conversion d’énergie, dont les effets seront :

-     Mécanique.

-     Magnétique

-      Calorifique

-      Chimique.

-      Électrique.

Selon l’utilisation désirée, un des effets sera favorisé,

mais dans tous les cas,

Il y aura des effets calorifiques et magnétiques.

Ces effets, non désirés entreront dans le cadre des pertes.

Il sera nécessaire de choisir le matériel « pour que cela tienne le coup »

Exemple : Le moteur électrique.

Principe de la circulation de l’électricité et grandeurs électriques utilisées.

Pour tous les types de courants rencontrés,

La circulation s’effectuera d’un point « A » vers un point « B »

Chacun des points est nommé « pôle »

Un des pôles présente une polarité, conventionnellement estimée, la plus élevée.

L’autre, une polarité, conventionnellement estimée, la moins élevée.

Remarque :

On utilise une convention, car au début de l ‘électricité, les physiciens se sont trompés sur le sens réel du courant continu.

Si l’on utilise le courant alternatif, le courant n’arrête pas de modifier sa valeur et son sens.

Une convention est donc utilisée, pratiquement cela est faux, mais cela simplifie les choses et…

Tout le monde applique le principe !

En courant alternatif monophasé :

Le courant sort de la phase vers le neutre.

En courant alternatif triphasé :

Le courant sort d’une phase vers une autre.

En courant continu :

Le courant sort du « + » vers le « - ».

L’analogie la plus communément utilisée pour saisir le principe de circulation ainsi que tous les éléments rencontrés est celle de l’eau.

Synthèse de base.

La pression imposée à l'eau dans un conduit, avec un robinet ouvert amène l’eau au lavabo. Elle repart intégralement à l’égout.

La tension présente avec un conducteur en série avec une résistance faible, entraîne la circulation d’une intensité, qui traverse le récepteur. L’intensité qui arrive au récepteur est la même que celle qui en repart.

Termes usuels électriques.

L’eau circulera si :

L’électricité circulera si :

Le château d’eau est plein et s’il est situé plus haut que l’égout.

Le générateur est en état et que ce pôle est « + » élevé que le pôle « - »

S’il y a de la pression.

Si la tension est n’est pas nulle.

Si les protections :

- Contre les surpressions.

- Contre les sur - débits.

- Contre les fuites.

N’ont rien détecté.

Si les protections :

- Contre les surtensions.

- Contre les sur - intensités.

- Contre les fuites.

N’ont rien détecté.

Les conduits sont là pour canaliser l’eau, s’ils sont adaptés et en état.

Les conducteurs sont là pour transporter le courant électrique, s’ils sont adaptés et en état.

Le(s) robinet(s) laissent passer l’eau.

Les interrupteurs, bouton poussoirs… ferment le circuit et laissent circuler le courant.

Le lavabo est en état.

Le récepteur est en état de fonctionner.

Les conduits d’évacuation sont là.

Les conducteurs de retour sont présents.

L’égout ne déborde pas, ou il n’est pas situé plus haut que le château d’eau.

Le générateur est en état et que ce pôle est « - » élevé que le pôle « - »

Il y aura débit d’au en m³ / seconde

Il y aura une intensité.

Synthèse.

La pression imposée à l'eau dans un conduit, avec un robinet ouvert amène l’eau au lavabo. Elle repart intégralement à l’égout.

Termes usuels électriques.

Tension

Différence de potentiels

Voltage.

Ce qui pousse le courant électrique

Caractérisée par U.

S’exprime en Volts

Intensité

Courant

Ampérage

Le résultat de la poussée de la tension.

= charges électriques amenées par seconde.

Caractérisée par I

S’exprime en Ampères

Conducteur

Ce qui transporte ou laisse passer une intensité.

Caractérisée par R

S’exprime en ohms (W)

Résistance

Précise la difficulté de passage, qu’éprouve le courant à traverser un circuit.

Caractérisée par R

Si R = 0W, c’est un conducteur.

Si R tend vers l’infini, c’est un isolant.

Entre les deux, on parle de résistance.

Générateur

Ce sont tous les éléments électriques qui produisent de l’électricité

Caractérisée par la puissance P fournie, en Watts.

Caractérisée par U d’alimentation

Caractérisée par I débitée.

Récepteur

Ce sont tous les éléments électriques qui utilisent de l’électricité.

Caractérisée par la puissance P consommée en Watts.

Caractérisée par U fournie

Caractérisée par I absorbée.

Règles communément utilisées.

Formules ou termes utilisés	Description	Unités.
W = énergie	C’est ce qui permet de réaliser un travail, sans contrainte de temps. (C’est généralement payant)	Joules ou Wattheure.
Puissance. P = W / t	C’est le travail possible à faire ou effectué dans un temps donné	En Watts. (= Joules / secondes ou Wattheure / heure)
P = U . I	C’est la puissance absorbé ou fournie électriquement.	Volt Ampère et Watts
P = R . I²	C’est la puissance dissipée en chaleur. (Effet Joules )	Watts.
U = R . I	Relation qui lie la tension aux bornes d’une résistance et la résistance.	Ω (ohms) Ω tel que Volts = ohms . Ampère
R = ρ . L / s	Donne la valeur de la résistance d’un conducteur en fonction de sa nature, de sa longueur en mètre et de sa section (en m² ou mm² )	Ω (ohms)
Ф = K1 .I . s	Flux magnétique, caractérise un magnétisme émis ou reçu. K₁ dépend de la forme donnée au(x) conducteur(s) support de l’intensité. S = surface embrassée par le magnétisme produit.	Weber.
F = K₂. Ф . I	Force électromagnétique produite, si on constate un flux magnétique produit au voisinage d’une circulation de courant. La force est maximum, lorsque le courant doit être placé perpendiculairement.	Newton
E = N . dФ / dt	Tension produite par un groupe de conducteurs placés prés d’une source magnétique variable dans le temps. N est le nombre de tours de fils. La tension est maximum, lorsque le courant doit être placé perpendiculairement.	Volts

Standards de tension.

Courant continu : Il est surtout utilisé à l’intérieur des appareillages électroniques.

Courant alternatif triphasé et monophasé :

Il est produit grâce à trois générateurs alternatifs placés à l’intérieur d’un même alternateur.

- Le courant sort, grâce à une tension qui n’arrête pas d’évoluer entre deux valeurs maximums de signes contraires. L’intensité suit le mouvement.

- La mesure de U ou de I avec un multimètre, donne des valeurs dites :

« efficaces »

- Les valeurs mesurées, égales la valeur crête fois 0.7

Remarques :

Le contact d’une phase seule et le sol est dangereux, car E.D.F. a relié le Neutre au sol !

Le courant alternatif est dangereux à partie de 24 V.

U entre phase (par calcul) = U entre Phase et Neutre fois 1.732

(Exemples : 220v / 380 V ou 380V 660V)

En monophasé, seule une phase est utilisée avec le Neutre.

(Cas des habitations)

Retour vers les principes de circulation du courant.

La tension « pousse » le courant.

La résistance caractérise la difficulté de circulation.

L’intensité est le résultat constaté, de la poussée en fonction de la résistance !

Trois combinaisons de cas se présentent :

a) Une tension est donnée, la résistance est forte, dans ce cas l’intensité est faible.

Il y aura :

- Peu de travail fourni.

- Peu de chaleur créée, donc peu de pertes par effet Joules.

- Peu de magnétisme généré, donc peu de forces électromagnétiques.

C’est le meilleur des cas !

b) Une tension est donnée, la résistance est faible, dans ce cas l’intensité est forte.

Il y aura :

- Beaucoup de travail fourni.

- Risque de créer de la chaleur, donc des pertes par effet Joules.

- Risque de générer du magnétisme, donc des forces électromagnétiques.

Il faudra que les constituants soient en mesure de supporter, la chaleur et les forces électromagnétiques.

c) La résistance est donnée, la tension est forte, dans ce cas l’intensité est forte dans le récepteur.

Il y aura :

- Beaucoup de travail fourni.

- Risque de créer de la chaleur, donc des pertes par effet Joules.

- Risque de générer du magnétisme, donc des forces électromagnétiques.

- Risque de claquage des isolants.

- Risque d’accumulation de charges par effet « condensateur ».

Il faudra que les constituants soient en mesure :

- De supporter les tensions avec des isolations conséquentes.

- La chaleur et les forces électromagnétiques.

- De minimiser le risque d’accumulation de charges.

A puissance égale, si tous les constituants d’une installation sont correctement choisis. Le choix du niveau des tensions sera fonction du niveau de pertes par effet Joules désiré :

1) Tensions faibles :

L’intensité est favorisée, donc la résistance doit être relativement faible.

C’est le cas de tous les récepteurs produisant de la chaleur : Ampoule halogène, four…

Il faudra que les constituants soient en mesure de supporter, la chaleur et les forces électromagnétiques.

2) Tensions fortes :

La tension est favorisée, donc l’intensité doit être relativement faible.

C’est le cas de tous les éléments produisant de l’énergie en grande quantité et autre que la chaleur : moteur, alternateur….

Il faudra que les constituants soient en mesure :

- De supporter les tensions avec des isolations conséquentes.

- De minimiser le risque d’accumulation de charges.

Quelques définitions.

a) Sections des conducteurs :

Il s’agit de la surface d’un conducteur sectionné. Plus la section est grande, plus la résistance du fil est faible et il chauffe moins.

Les limites de choix sont :

- L’encombrement autorisés pour les conducteurs.

- Le prix.

- Les conseils préconisés par les constructeurs ou les normes en vigueur.

b) Densité (de courant).

Elle est choisie en fonction de la température ambiante d’utilisation de l’élément électrique utilisé.

Elle est liée à la notion de section d’un conducteur ; c’est le rapport entre l’intensité qui passe dans un conducteur et la section de celui-ci.

Elle résulté d’un constat de qualité :

Tel élément électrique, présente le meilleur rendement, si pour tant d’Ampères traversés, il y a telle section.

Exemple :

- Pour le bâtiment, outre les normes existantes, on accepte une densité de 6A/mm².

- Pour les transformateurs des densités de 2A à 6A/mm², sont conseillées.

Le coefficient choisi devra être plus fort si la température ambiante est

importante.

c) Résistivité :

C’est un coefficient qui caractérise la résistance qu’aura un matériau conducteur donné, si celui ci est traversé par du courant électrique.

Plus ce coefficient est faible, plus la résistance sera faible.

(cf. tableau page 8)

Ce coefficient augmente avec la température. Il se mesure en ohms-mètres (Wm)

d) Résistivité superficielle ou de surface d’un isolant :

Elle est permet de connaître la résistance entre 2 points de part et d'autre d'une surface isolante.
Elle est indépendante de la surface mesurée.

Plus cette valeur est forte, meilleure sera l’isolation.

Ce coefficient diminue avec l’humidité. Il se mesure en ohms/carré. Cette valeur est comprise entre 10e3 Ohms/carré et 10e12 Ohms/carré.

e) Résistivité transversale ou de volume d’un isolant :

Elle permet de connaître la résistance entre 2 extrémités d’un volume isolant.
Le principe est analogue à celui de la résistivité d’un conducteur.

Plus cette valeur est forte, meilleure sera l’isolation.

Ce coefficient diminue avec l’humidité. Il se mesure en ohms/cm.

f) conductivité :

C’est exactement la notion inverse de la résistivité.

Plus ce coefficient est faible, plus la résistance sera forte.

Ce coefficient diminue avec la température.

Il se mesure en (ohms-mètres) ^-1 ou (Wm) ^-1

g) La résistance d’isolement.

C’est une résistance de très grande valeur, elle caractérise par exemple la valeur mesurée entre un châssis de moteur et les bornes d’alimentation.

Plus cette valeur est grande, meilleure est la protection des personnes contre les électrocutions et du matériel, contre les risques de fuite de courant et les courts circuit.

Une chute de cette valeur signale l’apparition prochaine de gros problèmes !

Parfois on voit une notion de rapport en ohms par Volts minimum.

Dans les utilisations domestiques, ce rapport est de 5000W/ Volts, ce qui signifie qu’a 230v, la résistance d’isolement minimum devra être de 230 fois 5000 égale 1.15 MW .

La résistance se mesure en millions d’ohms (MW) par des mesureurs nommés mégomêtre ou testeurs d’isolement.

Elle a tendance à baisser en présence d’humidité.

Remarque :

Un isolant peut avoir une très forte résistance d’isolement et ne pas supporter un niveau de tension trop élevé. Dans ce cas, l’isolant va « claquer »

Le lieu où la résistance d’isolement est la plus faible, entraîne tout l’élément électrique.

La résistance d’isolement sera dans ce cas celle, du maillon le plus faible de l’ensemble.

h) Tension de claquage.

C’est un coefficient en Volts par mètre ou mieux, en kiloVolts par mètres.

Il caractérise la tension maximum que peut supporter un isolant en fonction de l’épaisseur en mètres, de celui-ci.

Plus cette valeur est grande, meilleure est la protection des personnes contre les électrocutions et du matériel, contre les risques de fuite de courant et les courts circuit.

Au delà, un trou peut se produire dans celui-ci, il perdra toutes ses qualités.

Un court-circuit se fera et détruira l’élément électrique.

Le coefficient a tendance à baisser en fonction de la température, en présence d’humidité, et surtout des chocs.

Remarque :

Le lieu où la tension de claquage est la plus faible, entraîne la destruction de tout l’élément électrique.

La tension de claquage sera dans ce cas celle, du maillon le plus faible de l’ensemble.

i) Permittivité diélectrique.

C’est un coefficient qui caractérise la possibilité pour un isolant de favoriser une accumulation de charges électrostatiques sur des parties conductrices au voisinage de cet isolant.

Plus cette valeur est grande, meilleure est la résistance d’isolation.

L’importance des charges accumulées sera proportionnelle à ce coefficient.

C’est intéressant, lors de la construction de condensateurs, qui sont des accumulateurs de charges électriques.

Par contre :

- Les personnes pouvant être en contact avec des surfaces métalliques peuvent subir une électrocution, même très longtemps après que l’appareillage soit hors tension.

C’est le cas du bricoleur qui ouvre un poste de télévision ou un four à

micro-onde)

- Du matériel électronique sensible mis au contact, peut être détruit.

Le coefficient a tendance à baisser en fonction de la présence d’humidité.

j) Facteur de pertes diélectrique, tang(j) ou tg (j).

C’est un coefficient qui caractérise chez un isolant, les pertes thermiques qu’il va occasionner, s’il est soumis à un champ électrostatique alternatif.

Les pertes peuvent se calculer, si l’on connaît la valeur de la capacité électrique crée, par cet isolants au voisinage de matériaux conducteurs.

Plus cette valeur est faible, plus les pertes sont faibles.

Le coefficient a tendance à augmenter en fonction de la présence d’humidité.

Remarque :

Plus les tensions dans le voisinage de l’isolant sont élevées, plus les pertes seront fortes. La fréquence du courant augmente ces pertes.

(P perdue = C.2.∏.U.tang(j)

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