Caractérisation de l'électricité

Qu’est-ce que l’électricité ?

L’électricité est un phénomène invisible correspondant à une circulation d’électrons. Il ne peut être mis en évidence que par ses effets comme la chaleur, la lumière, la force, etc.

Un électron est un porteur de charge chargé négativement et donc attiré par un pôle positif. Ainsi les électrons peuvent circuler dans la matière et créer un courant électrique, ou peuvent s’accumuler à certains endroits et créer de l’électricité statique.

Les grandeurs physiques de base qui caractérisent l’électricité sont :

• L’intensité du courant notée I, dont l’unité est l’ampère notée A.
• La tension (ou la différence de potentiels entre deux points) notée U ou V, dont l’unité est le volt notée V.

Quelques notions de bases en électricité

Notion de circuit électrique

Pour réaliser un circuit électrique, il faut au minimum un générateur, un récepteur (lampe, moteur…) et des fils de liaison. Le générateur et le récepteur possèdent deux bornes chacun : ce sont des dipôles. Certains composants électroniques comportent plus de 2 bornes.

Nœud, branche, maille

Un nœud est une connexion qui réunit plus de deux dipôles. D et E sont des nœuds.

Une branche est une portion comprise entre deux nœuds consécutifs. Le circuit comporte trois branches entre les nœuds D et E.      

Une maille est une boucle fermée.

Fonctions des éléments d'un circuit

Le générateur est la source d'énergie.

Les fils de liaison assurent le transport de l'énergie électrique vers le récepteur.

Le récepteur convertit l'énergie électrique en exploitant les effets du courant électrique (effets calorifiques, lumineux, magnétiques, chimiques, etc.).                    

Tension électrique

La tension électrique exprime une différence de potentiels (d.d.p.) entre deux points d'un circuit, telle une hauteur obtenue par différence de deux altitudes. Il est courant de trouver un potentiel de référence appelé masse et de valeur 0V (analogie hydraulique : niveau 0 pour le niveau de la mer).

Unité et mesure

La tension s’exprime en volts (V) et se mesure à l’aide d’un voltmètre placé en dérivation.

Courant électrique

La circulation d’un courant dans un circuit électrique correspond au « débit » de l’électricité, c’est-à-dire quelle quantité par unité de temps. L’intensité du courant électrique est une grandeur flux qui correspond au passage de Coulombs par seconde (I = Q / t). Par analogie avec le domaine hydraulique cela correspond à la circulation d’un liquide dans une conduite.

Unité et mesure

L’intensité du courant s’exprime en ampères (A) et se mesure à l’aide d’un ampèremètre placé en série.

Composants électroniques standards

Qu’est-ce qu’une résistance ?

Une résistance est un composant électronique dont la principale caractéristique est d’opposer une plus ou moins grande résistance (mesuré en ohm) à la circulation du courant électrique.

Une résistance est régie par une loi fondamentale en électricité/électronique, c’est la loi d’ohm :

$\rm U=R \times I$ $\rm(U)$ en Volt $\rm (V)$, $\rm I$ en ampère $\rm (A)$ et $\rm R$ en ohm $(\Omega)$.

Qu’est-ce qu’un condensateur ?

Un condensateur est un composant électronique qui a la particularité de pouvoir stocker de l’énergie lorsqu’il est soumis à une tension. L’énergie emmagasinée sera restituée lors de la décharge du condensateur.

Un condensateur est régi par une loi fondamentale en électricité/électronique suivante :

$i=\mathrm C \times \dfrac{du}{dt}$ $\rm (C$ : capacité en farad $\rm (F)$, $i$ en ampère $\rm (A)$ et $u$ en volt $\rm (V))$.

L'énergie emmagasinée par le condensateur est donnée par :

$\mathrm W_c=\dfrac{1}{2} \times \mathrm C \times u^2$

Qu’est-ce qu’une bobine ?

Une bobine est un composant électronique qui permet de lisser le courant qui la traverse. Elle va s’opposer aux variations brusques du courant. 

Une bobine est régi par une loi fondamentale en électricité/électronique suivante :

$u=\mathrm L\times \dfrac{di}{dt}$ $\rm (L$ : inductance en henry $\rm (H)$, $i$ en ampère $\rm (A)$ et $u$ en volt $\rm (V))$.

L'énergie emmagasinée par la bobine est donnée par :

$\mathrm W_l=\dfrac{1}{2} \times \mathrm L \times i^2$

Courant continu et courant alternatif

Un courant électrique est généré par le déplacement de charges électriques dans un matériau conducteur. Le courant est dit « continu » lorsque les électrons se déplacent dans une même direction au sein de ce conducteur, et « alternatif » quand leur mouvement alterne entre un sens et un autre.

Le courant continu (CC ou DC)

Un courant est dit continu lorsqu’il s’écoule continuellement dans une seule direction.

Le sens du courant électrique est par défaut le sens conventionnel du courant : du pôle + vers le pôle -. En réalité, les électrons circulent de la borne négative vers la borne positive.

Le courant continu est produit par l’activité chimique d’une batterie ou d’une pile dans un circuit électrique fermé. C’est le cas par exemple dans une lampe électrique. Le circuit de la lampe relie un interrupteur, un générateur (pile) et une ampoule.

Remarque : On utilise le courant continu pour l’alimentation de tous les objets fonctionnant sur batterie et dans bon nombre de moteurs, que l’on nomme moteur à courant continu.

Le courant alternatif (CA ou AC)

Un courant est dit alternatif lorsqu’il circule alternativement dans une direction puis dans l’autre à intervalles réguliers appelés cycles. L’électricité en régime alternatif est régie par une tension sinusoïdale et un courant sinusoïdal.

Concrètement, cela veut dire que les électrons suivent un mouvement de va-et-vient.

• Sa tension crête, ou tension max, ou amplitude $Û$ ;
• Sa période $\rm T$, ou sa fréquence $f=\dfrac{1}{\rm T}$ ;

Cette tension est sinusoïdale ainsi :

$ u(t)=Û\cdot \sin(\omega \cdot t)$

ω est la pulsation et $\omega=2 \cdot \pi \cdot f$

Pour le réseau électrique $f = \rm 50~Hz$.

Û n’est pas une grandeur mesurable avec un voltmètre, l’indication lue sur le voltmètre est la tension efficace U mais  $\rm Û=\sqrt  2 \cdot U$.

La représentation du courant va différer selon la nature de la charge.

Remarque : On utilise le courant alternatif pour l’éclairage et le chauffage mais aussi dans ce que l’on appelle la force motrice, à base de moteur asynchrone par exemple.