Etienne LADEBORD – Lycée François MAURIAC – ladebord (at) free.fr
 
Cours d’électricité générale à l’attention des néophytes.

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L’électricité en circuit fermé



Un circuit électrique doit impérativement :
  • former une boucle
  • et contenir un générateur (source de courant)

D’une manière générale, on peut considérer le générateur comme une pompe à électrons.
On notera que tout électron produit par le générateur est contraint d’y retourner.
EDF – Voyage en électricité – Entre + et - (E02).

Il y a plusieurs types de générateur (source de courant):
  • piles, batterie de véhicule
  • alternateur (de voiture, E.D.F.,…)
  • Panneau photovoltaïque
  • Secondaire d’un transformateur.



Rappel : Un circuit électrique doit impérativement :
  • former une boucle
  • et contenir un générateur (source de courant)
Un système peut comprendre un ou plusieurs circuits :


Par ailleurs, la terre, la carrosserie d’une machine ou une personne, peuvent éventuellement former un circuit.   
Dans le premier cas, on a 2 circuits :
  • Transformateur + ampoule
  • Transformateur + Bart + Terre + Prise de terre
Dans le deuxième cas, on n’a qu’un seul circuit :
  • Transformateur + ampoule
En effet, Bart + Terre + Prise de terre forment bien une boucle, mais celle-ci ne contient pas de générateur (pompe à électron)

Il n’y a donc aucune circulation d’électrons dans cette boucle (aucun courant électrique).

Dans ce schéma là, il n’y a pas de circuit possible par le corps de Lisa.

Bien qu’elle touche la phase du système, aucun courant d’électrons ne s’établi par son corps, elle ne ressent rien.

C’est le cas, par exemple en régime I.T. ou dans certaine salle de bain, équipées de prises « rasoir » (Il s’agit en fait de prises 220V sur transformateur d’isolement.).
 
Dans ce 2ème cas, il ne se passe rien non plus.

Homer et Lisa, tous les 2 en contact avec la terre, forment bien une boucle, mais cette boucle ne contenant pas de générateur, aucun courant électrique ne les parcourt.
 
Dans ce dernier schéma, Lisa et son père forme un circuit, par la terre, contenant un générateur.

Un courant d’électrons va donc s‘établir depuis la phase, par Lisa puis la terre, puis son père avant de retourner au générateur.

Tous les électrons circulant par Lisa devront retourner au générateur par son père.

Ils subissent donc tout les deux le même courant électrique
 


Les grandeurs de l’électricité : Tension, Intensité, Résistance, Puissance



La TENSION (ou différence de potentiel) s’exprime en VOLTS (V).

La borne négative d’un générateur présente un excès d’électrons. La borne positive, un manque. La grandeur qui représente la concentration en électron s’appelle le potentiel électrique.

Entre 2 points d’un circuit, il y a une différence de concentration en électrons : une différence de potentiel.

Cette différence de potentiels est appelée tension.

Une tension se mesure entre 2 points d’un circuit.

On ne peut pas dire : Il y a 220V dans cette ampoule. On dit qu’il y a 220V aux bornes de cette ampoule.

Ce qui va créer la force de déplacement des électrons, c’est la différence de concentration d’électrons entre 2 points d’un circuit.

C’est la différence de potentiel, ou tension qui va créer le courant des électrons dans le circuit.

Remarque: L'altitude d'un lieu ne peut se définir que par rapport à une altitude repère (niveau de la mer, niveau d'un aérodrome...) De même, le potentiel en un point ne peut se définir que par sa différence avec un potentiel de référence ("masse" du circuit, potentiel de la borne négative, terre,...)

L’INTENSITE (ou courant électrique) s’exprime en AMPERES (A).

L’intensité représente le débit des électrons dans un conducteur.

C’est la quantité d’électrons circulant dans un fils par unité de temps.

Mais plutôt que de dire : il y a 12569835435448887732165445 électrons par seconde circulant dans ce fils, on parle de courant électrique et d’intensité du courant électrique (en Ampère).

On dit : l’intensité du courant électrique qui traverse cette résistance est de 5 ampères.
 



Une analogie peut être faite entre un circuit électrique et un circuit hydraulique.

La tension électrique (qui s’exprime en Volt) est alors assimilable à la pression.

L’intensité du courant électrique (débit d’électrons, qui s’exprime en Ampère) est alors assimilable au débit d’eau.

Dans ce schéma, le générateur est figuré par la pompe à eau qui rempli le réservoir.

Le moteur entrainant une machine par la courroie, est figuré par la roue à aubes (droite).

La tension aux bornes du moteur (en Volt) correspond à la différence de pression entre l’amont et l’aval de la roue à aubes.

L’intensité du courant électrique (débit d’électrons, qui s’exprime en Ampère) est alors assimilable au débit d’eau.

TENSION OU DIFFERENCE DE POTENTIEL = DIFFERENCE DE PRESSION

INTENSITE DU COURANT ELECTRIQUE = DEBIT D’EAU

Tous les organes électriques ont une résistance (en ohm Ω).

Cette grandeur exprime la résistance que présente l’organe au passage du courant d’électrons.

Si l’on veut faire l’analogie, la roue à aubes présente une résistance au passage de l’eau. Les aubes s’opposent ou résistent au passage de l’eau.

La puissance électrique s’exprime en Watts.

La puissance d’un organe indique l‘effort que celui-ci est capable d‘effectuer.

Dans l’exemple, ci-contre, la roue à aubes, du fait de la pression et du courant d’eau est capable d’entrainer une charge par la courroie.

Un moteur électrique a une certaine puissance, liée à la tension appliquée à ces bornes, ainsi qu’au courant électrique (Intensité) qui le traverse.

Ce cours est financé par la société .


La loi d’ohm



U = R x I

Avec :
  • U, la TENSION (ou différence de potentiel) en VOLTS
  • R, la RESISTANCE en Ω (OHM)
  • I, l’INTENSITE (ou courant électrique) en AMPERES
Cette loi d’ohm relie mathématiquement les 3 grandeurs caractérisant un circuit électrique. Elle est toujours vraie.

Elle permet de trouver une des trois grandeurs précédentes si on connait les 2 autres.

Ex : On vous dit de brancher une résistance électrique de 20 Ω sur un générateur 220V.
Quelle Intensité (courant électrique) va circuler dans le circuit ?


Ex : Vous brancher une ampoule sur un circuit alimenté par une pile 9V.
Avec un Ampèremètre, vous mesurez que le courant circulant dans le circuit a une intensité de 0,5A (500 mA).
Quelle est la résistance de l’ampoule ?


Ex : A la sortie d’un transformateur dont vous ne connaissez pas la tension, est branchée un grille pain d’une résistance de 40 Ω.
A l’aide d’une pince ampère-métrique, indiquez la tension aux bornes de la source.


La loi de puissance



P = U x I
  • P, la PUISSANCE en WATTS (W)
  • U, la TENSION (ou différence de potentiel) en VOLTS
  • I, l’INTENSITE (ou courant électrique) en AMPERES
Cette loi permet de calculer la puissance consommée dans un circuit, en fonction de la tension aux bornes du récepteur et de l’intensité du courant le traversant. Elle est toujours vraie.

Elle permet de trouver une des trois grandeurs précédentes si on connait les 2 autres.

E03. Edf - Voyage En Electricite - 1981 Ep 03 - Les Trois Mousquetaires.avi

Ex : A la maison, quel est l’intensité du courant dans un radiateur de 1000 W ?

Ex : Vous brancher une ampoule sur un circuit alimenté par une pile 9V.
Avec un Ampèremètre, vous mesurez que le courant circulant dans le circuit a une intensité de 0,5A (500 mA).
Quelle est la résistance de l’ampoule ?


Ex : A la sortie d’un transformateur dont vous ne connaissez pas la tension, est branchée un grille pain d’une résistance de 40 Ω.
A l’aide d’une pince ampère-métrique, indiquez la tension aux bornes de la source.


La loi de puissance



P = U x I
Avec :
  • P, la PUISSANCE en WATTS (W)
  • U, la TENSION (ou différence de potentiel) en VOLTS
  • I, l’INTENSITE (ou courant électrique) en AMPERES
Cette loi permet de calculer la puissance consommée dans un circuit, en fonction de la tension aux bornes du récepteur et de l’intensité du courant le traversant. Elle est toujours vraie.

Elle permet de trouver une des trois grandeurs précédentes si on connait les 2 autres.

E03. Edf - Voyage En Electricite - 1981 Ep 03 - Les Trois Mousquetaires.avi

Ex : A la maison, quel est l’intensité du courant dans un radiateur de 1000 W ?

Ex : Un transformateur alimente un lotissement de 10 maisons consommant chacune 6 kW.

Par quelle Intensité de courant électrique le secondaire de ce transformateur est-il traversé ?

La ligne électrique qui alimente ce transformateur est une ligne 20 000 V.

Quelle est l’intensité du courant dans les fils de cette ligne ?

Dimensionnement d’un conducteur



D’une manière générale, on distinguera 2 cas :

Le calcul approximatif par la règle des 5 ampères par 1mm² convient généralement sauf :
  • Si la contrainte économique devient importante ( > 50 €)
  • Si les longueurs sont importantes ( > 20 m)
Sinon, on utilisera la formule suivante : R = ρ x L / S Avec :
        ρ = résistivité en Ω x mm² / km (22.5 Ω x mm² / km pour le Cu)
        L = longueur en km
        S = Section en mm²

En cherchant à obtenir une chute de tension de 3% maximum.

Ex : Dans une maison, on doit tirer un câble sur 15m pour alimenter un nouveau radiateur électrique de 1000 W.

Quelle taille de câble doit-on utiliser ?


Ex : On doit câbler une machine de séchage industrielle d’une puissance de 100 000 W située à une distance de 12 m du tableau électrique.

Quelle section de fils doit-on employer ?


Si le dimensionnement des conducteurs et leur calcul vous semble laborieux, vous pouvez aussi vous référer aux abaques, pages suivantes :


Ex : Quels sections de câble utiliser pour alimenter un séchoir de 5 kW situé à 100m du tableau électrique ?


Ex : Quels sections de câble utiliser pour alimenter un moteur de 100kW situé à 350m du tableau électrique ?






 
 
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