1. Circuit électrique

Electricité Initiation
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L'électricité est partout
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Sommaire
1. Circuit électrique
2. Tension, courant, puissance, énergie, capacité
3. Conducteurs / Isolants
4. Courant continu / Courant alternatif
5. Effets du courant électrique
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1. Circuit électrique
1.1 Définition
Un circuit électrique simple se compose : d'un générateur, d'un récepteur, d'un élément de
commande, de fils conducteurs.
Exemple : une lampe de poche est un circuit électrique très simple dans lequel le générateur est
une pile, le récepteur est une ampoule électrique, l'élément de commande est l'interrupteur
Marche/Arrêt, les conducteurs sont les fils (ou les languettes métalliques) qui relient tous ces
éléments.
1.2 Représentation schématique
Elément de commande
Générateur
1.3 Fonctionnement
Récepteur
Conducteurs
Dès que le circuit est fermé (interrupteur
fermé), un courant électrique circule et
allume la lampe.
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1.4 Circuit série - Circuit parallèle
I
G
L2
L1
Circuit série:
En partant du générateur G, tous les
éléments du circuit (I, L1, L2) sont
branchés bout à bout: ils sont en série.
G
I
L
M
Circuit parallèle (ou en dérivation):
Les deux branches (L et M) du circuit
sont alimentées simultanément par le
générateur G. Elles sont en parallèle
(ou en dérivation) car leurs extrémités
sont communes.
Exemples:
•
Dans la maison, toutes les lampes, tous les radiateurs, tous les appareils électroménagers…
sont en parallèle, alimentés par le même générateur qui est le secteur EDF.
•
La lampe de chevet, prise séparément, est un circuit dans lequel l'ampoule et l'interrupteur
sont en série, l'ensemble étant alimenté par le générateur qui est le secteur EDF.
•
Dans une voiture, les phares, le klaxon, le moteur d'essuie-glaces, les clignotants… sont en
parallèle, alimentés par le même générateur qui est la batterie.
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2. Tension, courant, puissance, énergie, capacité
2.1 Tension
Un générateur électrique délivre une tension qui s'exprime en volts (symbole: V).
Exemples : une batterie de voiture de 12 V - une pile de 4,5 V - le secteur EDF de 230 V
2.2 Courant - Intensité du courant
Quand un générateur électrique alimente un récepteur, il lui fournit le courant nécessaire à son
fonctionnement. La valeur de ce courant (son intensité) s'exprime en ampères (symbole : A)
Exemples :
• une batterie de voiture fournit, sous une tension de 12 V, un courant de 8 A (ou d'intensité
8 A) lorsqu'on allume les phares.
• le secteur EDF fournit, sous une tension de 230 V, un courant de 12 A (ou d'intensité 12 A)
lorsqu'on allume le four électrique.
2.3 Puissance
Plus un générateur électrique est puissant, plus il sera capable par exemple :
• d'entraîner, par l'intermédiaire d'un moteur électrique, une machine puissante, c'est-à-dire
capable de fournir un travail important.
• de chauffer , par l'intermédiaire de radiateurs adaptés, des volumes importants.
La puissance d'un générateur, ou la puissance d'un récepteur, s'exprime en watts (symbole : W).
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2.4 Energie
Quand un générateur électrique alimente un récepteur, plus il fonctionne longtemps et plus
il fournit de l'énergie au récepteur.
De même, on peut dire que plus un récepteur fonctionne longtemps et plus il consomme de l'énergie.
Si l'énergie s'exprime officiellement en joule (symbole : J), l'unité pratique utilisée est
généralement le wattheure (symbole : Wh) ou mieux encore le kilowattheure (symbole : kWh).
2.5 Capacité
Le kilowattheure est plutôt utilisé pour exprimer l'énergie fournie par l'EDF.
Quand le générateur est une batterie ou une pile, on parle plutôt de sa capacité, donnée en
ampère-heure (symbole : Ah). Cette valeur illustre le temps pendant lequel ce générateur peut
délivrer, sous sa tension indiquée (tension nominale), un courant à un récepteur.
Exemple : une batterie de 12 V, ayant une capacité de 40 Ah, peut délivrer, toujours sous 12 V
à un récepteur : 40 A pendant 1 h, ou 20 A pendant 2 h, ou 10 A pendant 4 h, ou…
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2.6 Résumé
Grandeur électrique
Unité
Symbole
tension électrique
volt
V
intensité du courant électrique
ampère
A
puissance électrique
watt
W
énergie électrique
joule - wattheure
kilowattheure
J - Wh
kWh
capacité d'un générateur
ampère-heure
Ah
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3. Conducteurs - Isolants
3.1 Conducteurs
Les fils ou les câbles qui transportent l'électricité sont en matériau conducteur, en général cuivre
ou aluminium. D'autres métaux sont également bons conducteurs de l'électricité (or, argent,
étain…). Le carbone et l'eau sont aussi d'assez bons conducteurs de l'électricité.
3.2 Isolants
Pour protéger les utilisateurs des contacts directs avec les conducteurs, ou pour éviter tout
contact direct des conducteurs entre eux, on utilise des matériaux isolants : caoutchouc, matières
plastiques, mais aussi verre, céramique, papier, mica, et… l'air !
3.3 Conducteur ? Isolant ?
•
C'est la nature du matériau qui fait qu'il est conducteur ou isolant. En effet, le courant
électrique est dû à un déplacement d'électrons libres, ultra-microscopiques "grains
d'électricité" présents dans tous les matériaux et susceptibles de se déplacer. Ces électrons
libres sont plus nombreux et plus libres de se déplacer dans un conducteur que dans un isolant.
•
C'est ce déplacement, provoqué par le générateur qui produit une force sur ces électrons
libres, qui produit le courant électrique : plus la tension du générateur est élevée, plus cette
force est élevée, plus le débit d'électrons libres est élevé, et donc plus l'intensité du courant
qui circule est importante.
Cette intensité est quasiment nulle dans un matériau isolant.
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4. Courant continu - Courant alternatif
•
Piles, batteries, accumulateurs fournissent des tensions généralement faibles (quelques volts)
tout en délivrant des courants peu importants (quelques fractions d'ampères à quelques ampères).
Ils fournissent du courant continu.
•
Grâce à de gros alternateurs fonctionnant dans ses barrages hydrauliques et ses centrales
thermiques et nucléaires, l'EDF produit du courant alternatif sous des tensions élevées (quelques
milliers de volts).
Ce courant alternatif est transporté sous des tensions élevées (jusqu'à 400 000 V), puis
retransformé en tensions plus faibles (230 V domestique, 1500 V industriel…) pour être distribué
aux consommateurs.
Ce sont des transformateurs qui élèvent ou abaissent la tension alternative.
ATTENTION !
Un transformateur n'est pas capable d'élever ou d'abaisser une tension continue.
•
La transformation courant alternatif → courant continu est relativement facile à réaliser.
Inversement, la transformation courant continu → courant alternatif est difficile à réaliser.
•
Par contre, si on sait facilement stocker du courant continu (piles, batteries, accumulateurs), il
est impossible de stocker du courant alternatif.
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5. Effets du courant électrique
Le courant électrique est invisible, mais il produit des effets variés. Si certains sont visibles,
d'autres le sont beaucoup moins.
5.1 Effet lumineux
L'effet lumineux de l'électricité est utilisée pour la production de l'éclairage (lampes à
incandescence, éclairage luminescent…).
D'autres effets lumineux sont produits, par exemple dans la soudure à l'arc ou les éclairs lors d'un
orage.
5.2 Effet thermique
L'effet thermique de l'électricité est utilisé pour la production du chauffage (radiateurs
électriques, fours, soudure à l'arc…)
Par contre, les moteurs, appareils électroménagers, téléviseurs, câbles d'alimentation électrique…
s'échauffent lors de leur utilisation. Cet échauffement est dû à l'effet thermique de l'électricité,
mais c'est un effet indésirable.
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5.3 Effet magnétique
L'effet magnétique de l'électricité est l'illustration parfaite de l'effet invisible. On le constate
par son action sur une aiguille aimantée (déviation d'une aiguille aimantée placée à proximité d'un
fil traversé par un courant électrique).
C'est cet effet magnétique qui permet de faire tourner les moteurs électriques, de produire le
courant alternatif (alternateurs), d'enregistrer son et images sur une bande magnétique ou sur le
disque dur d'un ordinateur…
5.4 Effet chimique
L'effet chimique de l'électricité est aussi un effet invisible. C'est essentiellement un effet
d'électrolyse, particulièrement utilisé dans deux domaines importants :
• la production de gaz (hydrogène, chlore…), de métaux purs (aluminium, chrome…)
• la production de courant continu (piles, accumulateurs)