BARBIEUX Alexandre CARLEN Cédric CALLEWAERT Kévin DEVODDERE Kévin Travail Personnel Encadré Thème : Ingénieurs et sciences : une histoire partagée Sujet : Le courant électrique Problématiques : - Comment se caractérise le courant électrique ? - Comment créer du courant électrique et comment le transporter ? Lycée Colbert, Tourcoing Année scolaire 2008/2009 I) Les caractéristiques du courant électrique A) Introduction : L'électricité a été découverte il y a plus de 2500 ans. Dans l'Antiquité, le savant grec Thalès l'a découverte en frottant un morceau d'ambre contre du tissu, puis a constaté que le morceau d'ambre pouvait attirer des objets légers.. Il a ainsi, sans le savoir, découvert l'électricité statique. En réalité, en frottant ce morceau d'ambre contre le tissu, on dit par convention qu'il a pris des électrons au tissu, et que ces derniers sont venus se fixer sur le morceau d'ambre. On peut donc dire que le morceau d'ambre était ainsi chargé négativement, car il a pris des électrons qui sont chargés négativement. Une force s'est exercée sur les objets légers ainsi attirée : il s'agit de la force électromagnétique, due à l'excès de charges, ici négatives. La capacité d'un matériau à attirer les électrons vers lui dépend de sa résistance électrique. En fait, Thalès n'a découvert que l'électricité statique, c'est-à-dire l'électricité créée lorsque les électrons en excès sont incapables de circuler dans certains types de matériau. Les matériaux isolants empêchent la circulation des électrons, ce qui fait que ces derniers restent sur le matériau en question après le frottement, et peuvent ainsi attirer des objets légers. Les matériaux conducteurs permettent la circulation des électrons, ce qui fait qu'ils ne restent pas sur le matériau en question après frottement. Le fait qu'il n'y ait pas d'excès d'électrons fait que ce matériau est inapte à attirer des objets, mêmes les plus légers. Au cours de l'histoire, il a fallu maîtriser cette électricité pour pouvoir créer ce qu'on appelle aujourd'hui : le courant électrique. Le courant électrique est dû à un déplacement d’électrons dans des matériaux conducteurs, sauf dans les solutions appelées « électrolytes », où il est dû à un déplacement d'ions. B) Différences entre l'intensité du courant et la tension 1) L’intensité i) Ses caractéristiques L’intensité, c’est le débit d’électrons libres qui circulent dans un matériau conducteur. Elle se mesure en Ampères, par l’intermédiaire d’un ampèremètre. Elle est définie par la formule : I = ∆q/∆t, où I est l’intensité en Ampères, ∆t le temps en secondes, et ∆q la valeur de la charge électrique en Coulombs (C). Autrement dit, un Ampère correspond à une charge électrique de valeur 1 Coulomb circulant en une seconde. La charge électrique, c’est la somme des quantités d’électricité portées par les protons, qui portent une charge électrique positive, et les électrons, qui portent une charge électrique négative. La charge électrique peut être mise en évidence grâce à un électromètre. La valeur de la charge électrique en un point est toujours un multiple d’une constante, notée e, dont la valeur est d’environ 1,6.10-19 C (c’est la valeur de la charge électrique d’un proton, et l’opposé de cette valeur correspond à la charge électrique portée par un électron). Si on a une quantité d'électricité de 1 C en un certain nombre x de protons, cela veut dire que l'on a : e x = 1 <=> x = 1/e ≈ 1/1,6.10-19 ≈ 6,25.1018 protons. Cela nous permet de déduire que, si ce même nombre x d'électrons circulent en une seconde, comme les électrons circulent dans le sens opposé à celui du courant électrique, c'est une charge de 1C (et non de -1C) qui va être « créée » en une seconde. Selon la formule de l'intensité, l'intensité I sera donc égale à : ∆q/∆t = 1C / 1s = 1A. Une intensité d’1 A correspond donc à la circulation d'environ 6,25.1018 électrons en une seconde dans un circuit. ii) Les lois liées à l’intensité du courant Voici deux grandes règles à propos de l’intensité du courant électrique dans un circuit électrique : - La règle de l’unicité du courant dans un circuit en série : Dans un circuit en série, l’intensité du courant électrique est la même partout. Dans ce circuit, l’intensité est la même partout car il s’agit d’un circuit en série. - La règle de l’additivité des intensités dans un circuit en dérivation, aussi appelée « Loi des nœuds) : Lorsqu'il y a un croisement (que l'on appelle un nœud) entre plusieurs branches, dans un même circuit, la somme des intensités entrantes dans le nœud est égale à la somme des intensités sortantes de ce même nœud. Voici un exemple d'application basique de cette règle : 2) La tension i) Ses caractéristiques Pour comprendre ce qu’est la tension, il faut d’abord comprendre ce qu’est le potentiel électrique : c’est une valeur qui dépend de la concentration d’électrons en un certain point de l’espace, qui indique la capacité de mise en mouvement des électrons depuis ce point. Il est exprimé en Volts (V). Le potentiel électrique décroît de la borne positive vers la borne négative d'un générateur. La tension, c’est la différence de potentiel électrique (c’est-à-dire une valeur dépendante de la différence du nombre d’électrons entre les deux extrémités du circuit) entre les deux extrémités d’un circuit ou d’un dipôle. On la note souvent U, et se représente sur un schéma électrique par une flèche. Elle est également exprimée en Volts, et peut se mesurer avec un voltmètre que l'on doit brancher en dérivation dans le circuit. La tension est définie par la formule : U = W/q, où W est l'énergie échangée en joules, et q la valeur de la charge qui circule. Donc un volt est la tension obtenue lorsqu'une énergie d'un joule est échangée pour une charge électrique d'un coulomb. Le signe de cette valeur, cependant, varie selon le sens dans lequel les électrons circulent. On remarque, d’ailleurs, qu’il existe un autre appareil permettant de mesurer à la fois la tension et l’intensité du courant électrique, mais aussi capable de mesurer la valeur de la résistance électrique : son nom est : le multimètre. ii) Les lois liées à la tension Voici deux grandes règles concernant la tension dans un circuit électrique : - La règle d’additivité des tensions dans un circuit en série : Dans un circuit en série, la tension aux bornes d’un ensemble de dipôles en série est égale à la somme des tensions aux bornes de chacun de ces dipôles. Dans ce circuit, selon la règle d’additivité des tensions dans un circuit en série, on a : UAD = UBA + UCB + UDC Pourquoi cela ? Car UAD est en réalité la tension aux bornes de l’ensemble de dipôles composé de R, L1, et D1 . Donc selon la règle d’additivité des tensions, la tension aux bornes du générateur (étant ici également la tension aux bornes de l’ensemble composé des trois autres dipôles) est égale à la somme des tensions aux bornes de ces différents dipôles. - La règle d’égalité des tensions dans un circuit en dérivation : Deux dipôles branchés en parallèle, en dérivation, sont soumis à la même tension. Dans ce circuit, la règle d’égalité des tensions dans un circuit en dérivation nous permet de dire que la différence de potentiel (autrement dit : la tension) U1 entre les deux extrémités de la branche du milieu est la même que celle entre les deux extrémités de la branche de droite, U2 : U = U1 = U2 - On remarque, d’ailleurs, qu’entre tension et intensité, les règles sont, en quelque sorte, inversées : dans un circuit en série, l’intensité est la même partout, ce qui n’est pas le cas de la tension ; et lorsque la tension est la même de branche en branche dans un circuit en dérivation, les intensités ne le sont pas. - Il faut également savoir que tension et intensité sont liées par une règle, appelée « Loi d’Ohm » : c’est une loi qui se présente sous la forme : U = RI, où U est la tension en Volts, R la valeur de la résistance en Ohms, et I l’intensité en Ampères. Il permet notamment de déterminer les conséquences d’un phénomène : le court-circuit. C) Qu’est-ce qu’un court-circuit ? C’est le phénomène qui se produit lorsque deux fils ayant des potentiels électriques différents viennent en contact, de façon à permettre au courant électrique de circuler dans des fils de très faible résistance (plus faible que celle des fils dans lesquels le courant circulait avant le court-circuit). Un court-circuit provoque une augmentation instantanée et extrêmement importante de l'intensité, ce qui peut également provoquer une forte augmentation de la température au niveau des fils conducteurs. Lorsqu’il y a court-circuit, la tension ne varie pas. En revanche, les fils dans lesquels le courant va se mettre à circuler ont une très faible résistance. Selon la loi d’Ohm, on a : U = RI <==> I = U/R. La tension étant constante, l’intensité ne va dépendre que de la résistance des fils dans lesquels le courant va circuler. Comme la valeur de la résistance va fortement diminuer, la valeur de la tension va être divisée par une valeur extrêmement petite, ce qui va bien nous donner une intensité extrêmement grande. On comprend donc pourquoi l’intensité augmente lors d’un court-circuit. D) La puissance électrique La puissance électrique, c'est la rapidité de transfert de l'énergie. Elle se mesure en Watts (W), et est souvent notée P. Elle est définie par de nombreuses formules, dont les deux principales sont : P = UI, où P est la puissance en Watts, U la tension en Volts, et I l’intensité en Ampères, et P = E/t, où E est l’énergie en Joules (J), et t le temps en secondes. En réalité, 1 watt correspond à une énergie de 1 joule en une seconde, ou une puissance obtenue lorsque la tension est à un volt, et que l’intensité est à un ampère. Voici quelques exemples de puissances électriques rencontrées au quotidien: - une ampoule économique, aujourd'hui, consomme environ 15 W, c’est-à-dire une énergie électrique de 15 joules en une seconde. - Une télévision consomme environ 600 W, soit l’équivalent de 40 ampoules économiques. C'est une consommation électrique déjà très élevée. - Un moteur de T.G.V consomme une puissance de près d’un million de watts, c’est-à-dire l’équivalent d’environ 1670 téléviseurs ! La puissance électrique peut se mesurer avec un wattmètre : cet appareil mesure la tension et l’intensité, puis détermine ainsi la puissance électrique en multipliant la tension par l’intensité. Il est composé de 4 bornes : 2 bornes permettant de mesurer la tension, et 2 bornes permettant de mesurer l’intensité de courant. Les fils reliés aux bornes de mesure de la tension doivent, bien sûr, être placés en dérivation dans le circuit. E) Différences entre courant continu et courant alternatif Dans un circuit électrique, les électrons circulent dans le sens opposé au sens conventionnel du courant. Que ce soit le courant alternatif ou le courant continu, ils s’expriment tout les deux en ampères. - Le courant continu (qui peut être abrégé par DC, ce qui signifie Direct Current, terme anglais désignant le courant continu) est un courant électrique unidirectionnel. Ces courants sont produits par des générateurs délivrant des tensions continues. - Le courant alternatif se note AC, initiales qui signifient : Alternating Current, étant le terme anglais pour désigner le courant alternatif. C’est un courant électrique qui, contrairement au courant continu, change de sens. C’est–à-dire que ces bornes s’inversent au fil du temps. Ce courant est dit périodique s’il change régulièrement et périodiquement de sens. La période est souvent notée T : il s'agit du temps mis par la tension entre les bornes où le courant circule pour changer de signe deux fois. Un courant alternatif périodique est caractérisé par sa fréquence mesurée en Hertz (Hz). C’est le nombre « d’aller retour » qu’effectue le courant électrique en une seconde. Par exemple, un courant alternatif périodique de 50 Hz effectue 50 « aller-retour » en une seconde. C’est-àdire qu’il change 100 fois de sens en une seconde. La forme alternative la plus utilisée est la forme sinusoïdale, contrairement à la forme triangulaire. Si l'on note la fréquence f, on peut dire que f = 1 / T, ou bien : T = 1 / f Exemple de courbe représentative d’un courant alternatif sinusoïdal. Le courant alternatif est nettement plus utilisé que le courant continu, car cela permet d'éviter des pertes trop importantes d'énergie électrique, lorsque l'électricité est transportée sur de longues distances. Le courant continu n'est utilisé que pour alimenter des petits appareils fonctionnant avec des piles, comme les lampes de poche. Le courant alternatif triphasé est le type de courant généré par les alternateurs. Ce courant permet d’obtenir une puissance électrique plus élevée que la puissance obtenue grâce à un courant monophasé. Il s’agit en réalité de la génération de trois tensions différentes en trois fils conducteurs différents. Chaque fil possède donc sa propre tension. Schéma d'une prise permettant la circulation de courant triphasé. Dans la prise 1 sera branché le fil dans lequel va circuler la phase 1 du courant triphasé. De la même façon, dans les prises 2 et 3 circuleront respectivement les phases 2 et 3 du courant triphasé. Schéma des 3 tensions générées dans un courant triphasé en fonction du temps. Comme on peut le voir, le courant triphasé est, en réalité, un courant composé de 3 courants alternatifs monophasés. Le courant alternatif triphasé est plus utilisé que le courant alternatif monophasé car il permet d'éviter d'importantes pertes d'énergie lors de son transport. - Comment passer d'un courant alternatif à un courant continu ? Il faut utiliser un redresseur de courant (ou bien des ponts de diodes) et un condensateur. Le courant obtenu ne sera pas exactement continu, mais la variation de sa tension sera tellement faible qu'on la négligera. Au départ, la courbe représentative du courant alternatif triphasé généré ressemble à ceci : Sur le schéma précédent, U correspond à la tension créée, et T correspond au temps. On a bien la courbe représentative d'un courant alternatif triphasé ; qui est une courbe sinusoïdale. Voici les courbes obtenues lorsque l'on place des ponts de diodes ou un redresseur de courant dans le circuit où le courant alternatif triphasé que l'on génère circule : Ce second schéma nous permet de comprendre la notion de redressement du courant électrique : en effet, on remarque que toutes les parties des courbes qui se trouvaient audessous de l'axe des abscisses ont subi une symétrie axiale par rapport à l'axe des abscisses : cela nous permet déjà d'obtenir un courant dont la tension ne change pas de signe, qui reste donc positive. Mais cela n'est pas suffisant pour obtenir un courant continu, car la tension varie constamment au cours du temps. On utilise alors un condensateur : voici ce que l'on obtient ainsi : En réalité, le condensateur a permis d'empêcher la variation de tension d'être trop importante. On voit ici que la tension est quasiment continue, vu que sa courbe représentative est presque linéaire, et parallèle à l'axe des abscisses. II) Comment créer le courant électrique ? Il faut des matériaux conducteurs (les métaux, par exemple) pour permettre aux charges électriques de se déplacer ; il faut un système capable de créer une différence de potentiel entre les deux extrémités du circuit, c'est-à-dire un système capable de provoquer un déplacement d’électrons. Cela revient à dire que système va créer une tension. Cela pourrait être un générateur, une pile ou une dynamo (dont le véritable nom est : machine dynamoélectrique). Cependant, ce n'est pas le générateur qui fournit les électrons. Les électrons proviennent des fils conducteurs ; le générateur ne fait que déplacer les électrons. C’est pour cela que l’on a besoin de matériaux conducteurs : pour permettre aux électrons de se déplacer. Il faut également de l’énergie pour faire fonctionner le système qui va produire de l’électricité. A) Le principe de l’alternateur Par exemple, dans les éoliennes, c'est le vent qui va servir d'énergie, et qui va provoquer la rotation des pales de l'hélice, faisant ainsi tourner une génératrice qui fonctionne de la même manière qu'un alternateur, ce qui va permettre de créer le courant électrique. L'énergie créée par le vent est une énergie mécanique. Un alternateur est composé d'un rotor et d'un stator. Le rotor est la partie de l'alternateur qui va être mise en rotation et qui va créer un champ magnétique, via les bobines se trouvant dans le stator, tandis que le stator est une couronne dans laquelle les bobines vont être placées. On dit que le rotor est l'inducteur, et que le stator est l'induit. Sur la gauche de ce schéma est représenté en traits continus le rotor (le stator est représenté en pointillés). Sur la droite de ce schéma est représenté en traits continus le stator avec les bobines (le rotor est représenté en pointillés). Les N et S indiquent l'emplacement de pôles Nord et Sud, qui sont des aimants. Les B, B' et B'' indiquent l'emplacement des bobines. La création du courant électrique provient du phénomène d’induction magnétique : lorsqu’il y a une variation de flux magnétique, les électrons vont se déplacer afin de créer le courant électrique nécessaire pour former un champ magnétique qui vient s’opposer à la variation du flux. Ici, la variation du flux magnétique est créée par la mise en rotation du rotor, déplaçant ainsi les aimants, qui ont un pouvoir magnétique. C'est la variation de la distance entre les bobines et les aimants qui font varier le flux magnétique. Il faut savoir que le courant électrique ainsi créé est un courant alternatif triphasé. Par conséquent, si l'on veut convertir ce courant alternatif triphasé en courant continu, il faut utiliser un redresseur de tension et un condensateur, comme expliqué précédemment. B) Le principe de la pile - L'énergie utilisée pour créer du courant électrique peut aussi être chimique : aujourd'hui, les piles permettent de créer du courant électrique grâce par l'intermédiaire de réactions chimiques. Voici une coupe (très simplifiée) d'une pile électrique : Dans la pile se produit une réaction chimique d'oxydo-réduction, c'est-à-dire une réaction chimique provoquant un échange d'électrons entre les deux réactifs impliqués : - L'anode est la partie de la pile où va se produire une oxydation, autrement dit : une perte d'électrons. C'est la borne négative de la pile. - La cathode est la partie où va se produire une réduction, soit un gain d'électrons. C'est la borne positive de la pile. - L'électrolyte est la solution chimique qui va provoquer la réaction. En réalité, l'électrolyte et le matériau composant l'anode sont mélangés. A titre d'exemple, la pile alcaline est composée d'une cathode en dioxyde de manganèse, une anode en zinc, et contient de l'hydroxyde de potassium (aussi appelée potasse) comme électrolyte. La réaction chimique d’oxydoréduction qui va se produire entre le matériau composant l'anode et l'électrolyte va entraîner un échange d’électrons, donc une circulation de ces derniers. Ils vont alors pouvoir sortir de la pile par la borne négative de cette dernière, et rejoindre la borne positive lorsque le circuit électrique sera fermé, c’est-à-dire lorsque la borne négative et la borne positive seront reliées. C'est ainsi que l'on peut alimenter des petits appareils tels que des lampes de poches ou des calculatrices. En revanche, la puissance du courant électrique ainsi créé n'est pas assez certainement pas assez importante pour alimenter des appareils électroménagers ou des ordinateurs ! Malheureusement, une pile n’est pas inépuisable : bien que sa durée de vie soit plutôt élevée (elle est évaluée entre 50 et 60h d’utilisation), elle n’est pas infinie : en effet, la réaction chimique permettant la création du courant électrique se fait de façon continue, mais la quantité de réactifs est, évidemment, limitée. Donc lorsque que toute la matière a réagi, la réaction chimique est terminée, ce qui fait que la création du courant s’arrête. On dit alors que la pile est épuisée. III) Comment transporter le courant électrique? De la production au transport : Le courant électrique passe par trois étapes pendant son acheminement vers les industries et les foyers. A la sortie de la centrale, on observe une tension de 20kV. Après passage dans un premier transformateur, dit élévateur de tension, elle passe à 400kV, puis après un autre passage dans un deuxième transformateur, appelé cette fois-ci abaisseur de tension, elle redescend à 24kV. Le courant traversera un troisième transformateur qui abaissera la tension à 220V pour une utilisation domestique. Schéma montrant le parcours du circuit électrique de sa création à la maison Le but de cette augmentation de tension est de minimiser les pertes d'énergie. En effet, avant d'arriver dans nos prises électriques, le courant parcourt un long trajet à travers les lignes à haute tension. Celles-ci ont une résistance qu'il est nécessaire de combler. Le phénomène de l'effet Joule est donc responsable de la perte de puissance. On remarque que le transport d’énergie implique l’utilisation de transformateurs. Qu’est-ce qu’un transformateur ? C'est le dispositif qui va permettre une modification de la tension, lors du transport du courant électrique. En voici un schéma simplifié : - En rouge, c'est le bobinage primaire qui est représenté. C'est par ce bobinage que le courant électrique initial circule. Le nombre de spires le constituant sera noté n. - En orange, c'est le bobinage secondaire qui est représenté. C'est par celui-ci que le courant électrique final va circuler. Le nombre de spires le constituant sera noté m. Lors du passage du courant électrique dans le bobinage primaire, un champ magnétique va se créer, et va se propager par les fines feuilles d'acier doux. Le phénomène d'induction magnétique va alors se produire : un courant électrique va être induit aux bornes du bobinage secondaire. Or, entre ces deux courants, il y a une différence majeure : en effet, il n'y a pas la même tension aux bornes de ces deux bobinages. En réalité, la tension finale dépend du nombre de spires qui constituent les deux bobinages. Soient U1 la tension aux bornes du bobinage primaire, et U2 celle aux bornes du bobinage secondaire. On a alors : U1/ U2 = n/m. Donc U2 = U1 m/n. Lorsque le bobinage secondaire possède plus de spires que le bobinage primaire, alors le rapport m/n est supérieur à 1, donc il y a une augmentation de la tension : on dit que le transformateur est donc appelé élévateur de tension. Lorsque c'est le bobinage primaire qui possède un plus grand nombre de spires que le bobinage secondaire, le rapport m/n est inférieur à 1, donc il va y avoir une diminution de la tension : on dit que le transformateur en question est un abaisseur de tension. Qu’est-ce que l’effet Joule ? L’effet Joule est la manifestation thermique de la résistance, qui se produit à l’intérieur des câbles électriques transportant le courant sur les lignes à haute tension. L’effet Joule peut être utile, comme dans un grille-pain, vu qu'il permet la transformation de l'énergie électrique en énergie thermique. Or, dans le cas des lignes à haute tension, l'effet Joule n'est pas l'effet recherché, vu que l'on cherche à transporter de l'énergie électrique et non thermique. Il se caractérise par la relation suivante : P = I² x R x t où R représente la résistance. Lors du transport du courant électrique, il faut prendre en compte un autre facteur : la résistivité du matériau dont les fils prévu pour le transport du courant sont faits. Qu’est-ce que la résistivité ? La résistivité d'un matériau représente sa capacité à s'opposer à la circulation du courant électrique. Elle correspond à la résistance d'un échantillon de ce matériau ayant pour longueur un mètre, et pour surface de section un m² ; elle est exprimée en Ω.m. C'est la grandeur inverse de la conductivité électrique. Au plus la distance parcourue par le courant électrique est longue, au plus la résistivité augmente. La résistivité une valeur qui ne peut être ni nulle, ni infinie. Autrement dit, un matériau ne peut ni être un parfait isolant, ni être un parfait conducteur. Les notions d’isolant et de conducteur du courant électrique sont donc relatives. Il est plus juste de parler de bon conducteur ou de mauvais conducteur. Actuellement, le matériau utilisé est l’aluminium pour une question de poids. Ce matériau a une résistivité de 27.10-9 Ω.m à une température de 300 K (ce qui correspond à environ 27°C), ce qui en fait aussi un très bon conducteur de courant électrique. IV) Notre maquette A) Création du courant électrique Nous avons préparé une maquette qui reprend le principe de l'alternateur, afin d'expliquer comment il est possible de créer du courant électrique, même lorsque l'on ne possède pas de grandes machines industrielles destinées à sa création. On fait translater alternativement un aimant dans une bobine dans les deux sens afin d’induire un courant électrique aux bornes de la bobine. On câble deux multimètres sur le dispositif : un qui va servir de voltmètre, et un autre qui va servir d’ampèremètre. Voici ce que l’on observe : On observe l’apparition d’une tension, bien que très faible. On a également une intensité qui est apparue, bien qu’elle soit également assez faible. B) Le transformateur (élévateur et abaisseur de tension) Le montage est composé de deux bobines, ainsi qu’une alimentation alternative : Nous connectons l’alimentation à la première bobine, composée d’un certain nombre de spires. Si le rapport n1 / n2 est inférieur à 1, nous récupèrerons une intensité plus faible, donc une tension plus élevée car : il existe une relation entre le nombre de spires ainsi que l’intensité de la première bobine et celle de la seconde bobine : n1 * I1 = n2 * I2 Cette formule pouvant s’appliquer dans tous les cas où un transformateur est impliqué, cela veut dire que si le nombre de spires augmente, alors l’intensité diminue. Nous connaissons aussi la formule qui nous dit que : U1 / U2 = n1 / n2 U2 = (n2*U1) / n1