Un peu de théorie
[historique]
[conducteurs et isolants]
[unités de mesure]
[courant alternatif]
[le triphasé]
( sources : encyclopédie Microsoft Encarta et www.unil.ch )
Historique
Certains phénomènes électriques intriguèrent déjà les anciens Grecs. On commençait par frotter un morceau d’ambre (sorte de résine fossile que les Grecs nommaient elektron). Puis on frottait des plumes d’oiseau (ou des fils métalliques) avec un morceau de fourrure. On était alors capable d’attirer les plumes d’oiseau grâce à l’ambre (expériences de Thalès, vers 600 av JC).
Bien plus tard, au XVIème siècle, le chercheur anglais Gilbert suggèra d’appeler " électricité " la cause de cette force d’attraction. Il découvrit aussi que d’autres matériaux, comme le verre, devenaient électriques lorsque on les frottait énergiquement (électrostatique).
En 1752, Franklin réalisa sa célèbre expérience du cerf-volant. Muni d’une pointe en métal, il le fit voler au cours d’un orage. Il apporta alors la preuve que les nuages d’orage étaient électrisés, car le cerf-volant leur prenait de l’électricité. En conséquence de quoi, on put construire les paratonnerres (de simples pointes en fer attachées en haut du bâtiment et reliées au sol par des fils conducteurs).
En 1785 Coulomb réussit à mesurer précisément les forces électrostatiques d’attraction et de répulsion, en fonction de la distance entre les charges électriques responsables. Il constata que la force électrostatique ressemblait à la force gravifique de Newton (mais avec une énorme différence : les charges électriques pouvaient être de deux natures, positives ou négatives. Alors que les masses, elles, ne sont jamais négatives).
Par la suite, Volta expérimenta en combinant différents métaux reliés par des solutions chimiques. Il en déduisit que l’origine du courant électrique était plutôt due à la jonction des deux métaux différents. Il perfectionna son système qui devint la pile électrique. Une pile livrait un petit courant continu grâce à du cuivre, de l’argent et du zinc (séparés par du buvard trempé dans de l’eau salée).
Après la découverte du courant et de la pile, les scientifiques étudièrent de plus en plus les " mouvements de l’électricité ", soit l’électrodynamique (Ampère, Ohm, Joule, etc).
L’utilisation à grande échelle du courant électrique, à partir de la deuxième moitié du XIXème siècle, fut rendue possible grâce à l’invention des générateurs électriques. Auparavant, les piles ne livraient que du courant continu et le prix de revient était élevé à cause des composants chimiques, rares et chers. Dès 1830, Faraday réussit à produire du courant grâce au mouvement mécanique d’un conducteur métallique entre les bras de fer d’un aimant (dynamo).
La théorie électromagnétique de Maxwell, en 1860, permit enfin de comprendre comment ces phénomènes étaient possibles. La production industrielle d’électricité, à bas prix et en grande quantité, devint possible.
Conducteurs et isolants
Les atomes qui constituent les solides peuvent chacun libérer un ou plusieurs électrons qui se déplacent dans le réseau atomique du matériau. Les électrons sont plus facilement libérés dans certains corps, appelés conducteurs (métaux ...). Les matières qui ne possèdent pas d’électrons libres, et donc qui ne peuvent pas conduire le courant électrique, sont appelées isolants (verre, caoutchouc, bois sec ...).
Lorsqu’un courant électrique circule dans un matériau, sa température augmente. Ceci s’explique par la collision des électrons avec les atomes, l’énergie libérée se manifestant sous forme de chaleur, exprimée en joules (J), la puissance dégagée s’exprimant elle-même en joules par seconde, ou watts (de symbole W).
- Si ce matériau est très conducteur, il y a peu de collisions donc peu d’échauffement.
- Si ce matériau est très isolant, il y auura très peu de déplacement d’électrons. L’échauffement sera négligeable.
- L’échauffement se produit pour des matériaux semi-conducteurs ou bien avec des conducteurs de section trop faible par rapport au courant qui les traversent : c’est ce qui est mis en oeuvre (de manière parfaitement maîtrisée) dans les résistances électriques, les ampoules à incandescence ...
Mesures électriques : volts, ampère, watt et ohm
Lorsque deux corps de charges électriques égales et opposées sont reliés par un conducteur métallique, des électrons se déplacent du corps négatif vers le corps positif, de façon à rétablir un équilibre. La circulation des électrons est appelée courant. Mesurée en un point du circuit, l’intensité du courant correspond au nombre d’électrons qui traversent ce point en une seconde. On exprime ainsi l’intensité en ampères (de symbole A), unité nommée en référence au physicien français André-Marie Ampère.
La tension décrit la différence de potentiel électrostatique entre deux points et est associée à l’énergie qu’il faut à un électron pour se déplacer entre ces deux points. Elle s’exprime en volts (V), en référence au chercheur italien Alessandro Volta. Par convention le potentiel électrique de la Terre est nul. Aussi le potentiel d’un corps chargé positivement est caractérisé par une valeur positive en volts, au-dessus du potentiel de la Terre, et inversement.
Pour illustrer ceci, on peut imaginer une chute d’eau. L’intensité pourrait être assimilée au débit de l’eau alors que la tension serait représentée par la différence d’altitude entre le haut et la bas de la chute.
Attention : il faut dire intensité et sutout pas Ampérage, il faut dire tension et non pas Voltage :-(
L’unité de la résistance est l’ohm (symbole  ), du nom du physicien allemand Georg Ohm. Elle est définie comme la résistance dans un circuit traversé par un courant de 1 A (ampère) et soumis à une tension de 1 V (volt).
Une différence de potentiel de 1 Volt reliée par une résistance de 1 Ohm () est traversé par un courant de 1 Ampère et la puissance thermique dégagée par la résistance est de 1 W (Watt).
La tension aux bornes d’une résistance est égale au produit de sa résistance par l’intensité : U = R x I
Kilowatt ou kilowattheure ?
Attention ne pas confondre Puissance et Energie (ni vitesse et précipitation). La puissance correspond à une énergie produite (ou consommée) pendant un laps de temps donné. L’énergie correspond à une puissance moyenne multipliée par le temps.
Par exemple, vous allez acquérir de l’énergie en mangeant un repas (énergie d’exprimant en joules ou en calories) que vous allez dépenser en faisant un jogging. Plus vous courrez vite, plus vous augmentez la puissance consommée. L’énergie totale de votre footing sera proportionnelle à la puissance moyenne et à la durée du footing.
EDF vous facture bien une énergie (tout comme vous allez payer le repas qui vous permettra de faire votre footing !), qu’elle exprime en kilowattheure.
Un kilowattheure correspond bien à un kilowatt (1000 watts) multiplié par une heure, (à ne pas confondre au km/h qui est un kilomètre divisé par une heure), soit 3.600.000 joules.
La puissance est égale au produit de la tension par l’intensité. P = U x I
Courants alternatifs
 Lorsqu’un conducteur est déplacé dans un champ magnétique, le courant change de sens aussi souvent que le conducteur lui-même change physiquement de sens. Plusieurs types de générateurs électriques fonctionnent en utilisant ce principe pour fournir un courant oscillant, appelé courant alternatif (AC). Le courant alternatif est préféré au courant continu comme source d’énergie électrique, tant pour les usages domestiques qu’industriels. En particulier, un courant alternatif peut voir sa tension ajustée par un appareil d’une grande simplicité : le transformateur. Son principe est le suivant : lorsqu’un courant alternatif passe dans une bobine, l’intensité du champ magnétique généré est amenée à varier continuellement. Si une seconde bobine conductrice est placée dans le champ magnétique de la première, les variations du champ magnétique y induisent un courant alternatif secondaire. Or, si cette seconde bobine comporte plus de boucles que la première, la tension induite y est plus importante, car le champ agit sur un plus grand nombre de boucles conductrices.
La propriété du courant alternatif à voir sa tension ajustée par les transformateurs est la principale raison de son choix pour l’électricité utilisée dans les maisons et dans l’industrie.
En Europe, le cycle alternatif est de 50 Hz (Hertz), c’est à dire que dans l’image animée ci-dessus, la petite flèche devrait faire 50 tours par seconde.
Que veut dire 230 V alternatif ?
La tension continue a été définie plus haut. Mais que veut dire 230 V alternatif sachant que la tension varie constamment ?
Il s’agit d’une tension dite efficace. Par définition, une résistance branchée sur du 230 V alternatif efficace dégagera la même puissance en chaleur que si elle était branchée sur du 230 V continu.
Comme la puisance est proportionnelle au carré de la tension, il faut déterminer la valeur de la moyenne du carré de la tension sinusoïdale. On démontre que cette valeur moyenne correspond au carré de 230 V pour une tension variant entre ± 325 V. (230 multiplié par racine de 2).
Une tension alternative de 230 V 50 Hz varie 50 fois par seconde entre - 325 V et + 325 V !
Le triphasé et le monophasé (phase, neutre)
Presque tous les particuliers sont alimentés en 230 V monophasé. Deux conducteurs arrivent à votre compteur électrique : le neutre (dont le potentiel est proche de celui de la terre, soit 0 V) et la phase dont le potentiel varie entre -325 et +325 volts.
La norme impose que la couleur des fils utilisés pour le neutre soit bleue. Les fils de phases peuvent avoir n’importe quelle couleur (hormis le bleu, et le vert/jaune).
En réalité, au niveau des centrales, le courant est produit en triphasé. Si l’on se réfère à l’image animée ci-dessus où l’on voit une flèche tournante et la forme sinusoïdale associée, en triphasé, il y a 3 flèches tournantes décalées de 1/3 de tour : ce qui peut-être représenté comme suit :
C’est pourquoi, les lignes électriques haute tension ont toujours 3 fils.
Au niveau du transformateur qui va abaisser la tension de 20000V à 230V, le neutre est connecté au point commun entre les 3 bobines du secondaire :
Pour que la consommation soit équilibrée entre les 3 phases, le distributeur d’électricité (EDF, ...) répartit la connexion des habitations entre ces phases. Si vous êtes en monophasé tout comme votre voisin, vous n’êtes sans doute pas branchés sur la même phase. Cela n’a aucune importance sauf si vous vouliez dîner chez lui en laissant dormir votre nouveau-né et que vous disposez d’émetteur-récepteur pour Bébés qui se branchent sur le secteur car le signal transite par le secteur ! |
par PROSPERITE : DIFFERENCE
