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Le circuit électrique
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Introduction :
Dans nos vies de tous les jours, l’électricité est indispensable pour pouvoir vivre confortablement. Chauffage, cuisson des aliments, divertissements, musique, télévision, téléphone portable, notre confort et une grande majorité de nos activités du quotidien sont dépendantes de l’électricité.
Mais de quelle façon l’électricité parvient-elle jusqu’à nos objets électriques pour les faire fonctionner ?
Quelles sont les grandeurs fondamentales utilisées en électricité ?
Dans ce cours, nous redécouvrirons la notion de porteur de charge à la base de l’alimentation de nos appareils.
Nous reverrons la différence entre les grandeurs électriques de tension et d’intensité, ainsi que les appareils utilisés pour les mesurer.
En dernière partie, nous aborderons les notions de puissance et d’énergie électrique.
Le circuit électrique
Un circuit électrique est un ensemble d’éléments, il comprend en général :
Ces différents appareils peuvent être simplifiés et représentés par des symboles sous la forme de ce schéma électrique :
Pour alimenter le récepteur, l’appareil de commande doit être fermé.
La matière et l’électricité
Toutes les matières, qu’elles soient liquides, solides ou gazeuses, sont constituées d’atomes. Un atome se compose d’un noyau constitué de neutrons (neutre) et de protons ayant une charge positive, noyau autour duquel gravitent des électrons chargés négativement.
En électricité, on rencontre des éléments dits isolants ou conducteurs.
Conducteur et isolant :
Si, dans un matériau, les électrons peuvent se déplacer, ils sont alors appelés électrons libres.
Dans certains matériaux, les électrons ne peuvent pas se déplacer au-delà de l’atome.
Le cuivre, l’or, l’eau sont des exemples de conducteurs.
Le bois, le verre, le plastique sont des exemples d’isolants.
Les porteurs de charges
Pour comprendre le fonctionnement d’un circuit électrique, il faut regarder à l’intérieur du conducteur fait de cuivre.
Lorsque l’interrupteur est fermé, on observe un mouvement des électrons, porteurs de charge négative, de la borne vers la borne .
Le sens conventionnel du courant est de la borne positive vers la borne négative.
Dans le cas d’une alimentation à courant continu, comme le chargeur de téléphone ou une pile, on peut dire que le débit d’électrons ne varie pas, il est alors continu.
L’énergie qui entre en jeu dépend du nombre d’électrons qui circulent dans le montage électrique.
Quantité d’électricité :
La quantité d’électricité, notée , qui est déplacée par le courant électrique représente le nombre d’électrons, noté , qui circulent dans le conducteur.
Avec :
Comment alors peut-on mesurer l’intensité du courant électrique qui circule dans les conducteurs et qui alimente un récepteur lorsque le circuit est fermé ?
Les grandeurs électriques
L’intensité du courant électrique
L’alimentation du téléphone portable est donc constituée d’une borne positive () et d’une seconde borne, négative (), ayant des potentiels différents.
Intensité :
L’intensité correspond à la quantité d’électricité transportée pendant seconde par le courant électrique :
Avec :
Même si le coulomb est l’unité du Système international de la quantité d’électricité, on trouve également sur les piles et batteries l’unité ampère-heure, notée .
La quantité d’électricité est exprimée en coulomb quand le temps considéré est la seconde. On utilise l’ampère-heure lorsque le temps considéré est en heure.
Sur une batterie de téléphone, vous pouvez trouver une grandeur exprimée en (par exemple, ).
La convention veut que le sens du courant aille de la borne positive d’une alimentation vers la borne négative.
Regardons ce qu’il se passe dans ce montage simple composé d’une batterie permettant d’alimenter une lampe.
Un interrupteur est placé entre les deux pour commander le montage.
On symbolise l’intensité sur les illustrations ci-dessous avec une flèche rouge identifiée pour intensité.
Pour mesurer l’intensité, on peut utiliser deux appareils : un ampèremètre monté en série, ou une pince ampèremétrique placée autour du conducteur à mesurer.
Pour mesurer les faibles intensités, sur des montages expérimentaux de physique ou en électronique, on utilise un ampèremètre qui nécessite au préalable d’ouvrir le circuit (hors tension) pour pouvoir y insérer l’ampèremètre en série.
Dans le monde professionnel, un électricien, lorsqu’il doit mesurer une intensité, ne peut pas se permettre d’ouvrir le circuit, car cela nécessite de démonter une partie de l’installation.
En effet, il suffit d’ouvrir la pince pour entourer le conducteur dont on souhaite mesurer l’intensité.
Pour représenter sous forme de schéma les expériences précédentes, nous utiliserons le symbole de l’ampèremètre ci-dessous, composé d’un cercle rouge dans lequel on indique l’unité (ampère), et représentera le générateur chimique (batterie).
L’ampèremètre étant polarisé, la borne de sortie est repérée COM, pour ne pas se tromper lors du raccordement.
Pour la pince ampèremétrique, il y a une précaution à prendre quant à son placement. Une flèche est présente sur la pince, qui indique le sens du courant pour aider à placer la pince dans le montage et ne pas faire d’erreur.
Pour que le courant puisse circuler dans le montage, il faut qu’il existe une différence de potentiel entre les bornes () et () du générateur.
La différence de potentiel ou tension
Tension :
La tension a pour origine la différence de deux potentiels présents entre deux points d’un circuit électrique. La tension se note et s’exprime en volt ().
La plupart du temps, une tension se mesure avec un voltmètre, que l’on place en dérivation avec l’appareil dont on souhaite visualiser la tension.
Rappelons que l’appareil de mesure ne perturbe pas le montage, mais il faut respecter les polarités, la borne de la pile sur la borne V du multimètre et la borne de la pile sur la borne COM du multimètre.
Le choix du calibre du voltmètre se fait en fonction du type et de la valeur de la tension devant être mesurée :
Certains voltmètres nécessitent également de prendre en compte la valeur mesurée, il faut donc faire attention à ne pas utiliser un appareil calibré sur une valeur inférieure à la tension devant être mesurée.
Reprenons le circuit avec la lampe et plaçons aux bornes du générateur un voltmètre placé en dérivation.
Pour ne pas se perdre, on repérera les deux extrémités du générateur avec les lettres et .
Aux bornes de la batterie, il apparaît une tension notée d’une valeur de .
Cette tension est la conséquence de la différence des deux potentiels et entre les points et :
La différence de potentiel ou tension électrique aux bornes et d’un composant se détermine de la façon suivante :
La tension ou différence de potentiel est également notée DDP.
Il convient donc de voir ensemble dans la suite du cours les notions de puissance et d’énergie.
La puissance
Puissance :
La puissance représente l’énergie produite par un générateur ou consommée par un récepteur pendant seconde. Elle s’exprime en watt ().
La puissance électrique en courant continu se détermine par la formule suivante :
Avec :
Pour mesurer une puissance, il est donc nécessaire de connaître la valeur de la tension et la valeur du courant.
Reprenons le schéma du montage avec la lampe. Fermons l’interrupteur et observons la représentation des flèches des tensions et du courant.
On constate qu’il n’existe qu’un seul courant dans le circuit, noté tant que l’interrupteur est fermé. Il circule bien de la borne vers la borne du générateur.
Le générateur délivre une puissance, elle est donc positive, les deux flèches sont dans le même sens :
Le récepteur reçoit et absorbe cette puissance, elle est donc négative, les deux flèches ont des sens opposés :
Pour mesurer la puissance, on utilise un wattmètre dont les raccordements sont similaires aux branchements :
L’énergie
Énergie électrique :
L’énergie électrique représente la puissance consommée pendant un certain temps. Cette valeur s’exprime :
La tension présente aux bornes d’un appareil électrique dépend de l’énergie électrique mise en jeu et de la quantité d’électricité selon la formule :
Avec :
Cette formule va nous permettre de déterminer l'énergie électrique à partir de la tension, du courant et du temps.
La formule utilisée pour calculer l’énergie est :
Si est exprimé en seconde () :
Si est exprimé en heure () :
Il est évidemment aisé de convertir des joules en watt-heure :
L’énergie consommée par notre installation électrique domestique est mesurée par un compteur d’énergie électrique (que nous connaissons tous).
Conclusion :
Dans ce cours, nous avons vu la façon dont l’électricité parvenait jusqu’à nos appareils électriques.
Nous avons découvert, ou redécouvert, les notions élémentaires de courant, de tension, de puissance et d’énergie, comme les appareils qui permettent de les mesurer.
Ainsi, dans le prochain cours, nous allons découvrir les principaux composants qui constituent nos équipements électriques.