I – LES BASES DE L’ÉLECTRICITÉ

L’électricité est l’interaction de particules chargées sous l’action de la force électromagnétique.

La force électromagnétique ou force de Lorentz induit l’ensemble des interactions électriques et magnétiques observées

C’est le mouvement des charges électriques dans la matière qui est à l’origine de l’électricité.

EXEMPLES

Électricité statique :

Dans la nature les électrons sont des porteurs de charges négatives et les protons des porteurs de charges positives. Les atomes qui composent la matière ordinaire sont faits d’électrons qui se déplacent autour d’un noyau composé de protons et de neutrons qui sont électriquement neutres. Le nombre d’électrons étant égal au nombre de protons, l’ensemble est électriquement neutre.

Quand on frotte certains matériaux entre eux, les électrons superficiels des atomes de l’un sont arrachés et récupérés par les atomes de l’autre. Par exemple une tige de verre frottée sur un tissu de soie se charge positivement, car ses atomes perdent des électrons au bénéfice de la soie. On parle d’électricité statique, car les charges électriques ne peuvent pas circuler : elles sont piégées dans des matériaux isolants : le plastique, le verre, le papier… qui résistent à la circulation des charges.

Le circuit électrique :

Il existe aussi des matériaux conducteurs, comme les métaux, l’eau salée, le corps humain ou le graphite par exemple, qui permettent aux charges électriques de se déplacer facilement. Lorsqu’on marche sur une moquette, le frottement des pieds sur le sol arrache des électrons et le corps se charge d’électricité statique. Quand on touche une poignée de porte métallique, on ressent alors une petite décharge électrique accompagnée d’une étincelle, causée par le déplacement brutal des charges électriques s’écoulant vers le sol à travers les matériaux conducteurs de la porte.

LES GRANDEURS MACROSCOPIQUES REPRESENTATIVES DE L’ELECTRICITE

• • • Tension ou différence de potentiel

U en Volt

• • • Intensité

I en Ampère

• • • Résistance

R en Ohm

• • • Courant continu et courant alternatif

CC et CA en Hertz (Fréquence)

• • • Fréquence

En Hertz

• • • Puissance/Energie

P en Watt

• • • Densité de Courant

En A/m²

ANALOGIE ELECTRICITE/HYDRAULIQUE

• • • Un réservoir est rempli d’eau, à sa base, un trou auquel est raccordé un tuyau est percé, qui permet à l’eau de sortir. Un robinet permet de laisser passer, de freiner ou d’empêcher l’eau de passer.

• • • La hauteur d’eau est la tension, le débit d’eau dans le tuyau le courant et le robinet représente une résistance variable sur le circuit.

• • • Le courant s’apparente à un débit, c’est-à-dire à une quantité par unité de temps (L/mn en hydraulique ou quantité d’électrons /seconde en électricité)

• • • Cette analogie permet de mieux appréhender la relation macroscopique reliant les trois grandeurs de base d’un circuit électrique :

EXERCICE 1

1 . Lorsqu’on augmente LA RÉSISTANCE, L’INTENSITÉ mesurée :

2. Lorsqu’on augmente LA RÉSISTANCE, LA TENSION mesurée :

3. Lorsqu’on diminue LA TENSION, L’INTENSITÉ mesurée :

EXERCICE 2

Si la tension U est de 6 V et si l’intensité maximale Imax que peut supporter le conducteur ohmique est de 100 mA, alors on dépasse cette intensité maximale quand la résistance R devient inférieure à :

Réponse :

COURANT CONTINU ET COURANT ALTERNATIF

Le courant continu (qui peut être abrégé par CC ou DC) est un courant électrique unidirectionnel :

le courant circule continuellement dans le même sens, le déplacement des électrons se fait toujours dans le même sens.

Le courant alternatif (qui peut être abrégé par CA ou AC) est un courant électrique qui change de sens. Ce courant alternatif est dit périodique s’il change régulièrement et périodiquement de sens.

Un courant alternatif périodique est caractérisé par sa fréquence, mesurée en hertz (Hz).

La forme la plus utilisée de courant alternatif est le courant sinusoïdal.

PÉRIODE ET FRÉQUENCE

Un phénomène est dit périodique lorsqu’il se répète identique à lui-même au bout d’un intervalle de temps, souvent noté T, appelé période. On dit souvent qu’au cours d’une période le système effectue un cycle.

Le nombre de cycles effectués par unité de temps est appelé la fréquence, on la note souvent f. Elle est exprimée en Hertz (Hz).

PUISSANCE

La puissance P consommée par un appareil en courant continu est égale au produit de la tension U à ses bornes par l’intensité I du courant qui le traverse.

Dans le cas d’un courant continu ou d’un courant alternatif dans les appareils de chauffage et d’éclairage n’entraînant aucun déphasage entre tension et intensité. Sinon, pour les moteurs, la formule exacte est : P = UI cos (Φ)

ÉNERGIE

Un récepteur est un appareil qui transforme l’énergie électrique en une autre forme d’énergie.

Un générateur est un appareil qui transforme en énergie électrique une autre forme d’énergie.

Un appareil puissant fournit beaucoup d’énergie en peu de temps.

La puissance consommée par un appareil est l’énergie qu’il consomme pendant l’unité de temps. L’énergie électrique consommée par un appareil est égale au produit de sa puissance P consommée par la durée t de son fonctionnement.

RÉSISTANCE ET RÉSISTIVITÉ

C’est la propriété d’un matériau à s’opposer au passage d’un courant électrique. Elle est souvent désignée par la lettre R et son unité de mesure est l’ohm (symbole Ω). Elle est liée aux notions de résistivité et de conductivité électrique :

La résistivité d’un matériau représente sa capacité à s’opposer à la circulation du courant électrique. Elle correspond à la résistance d’un tronçon de matériau de 1 m de longueur et de 1 m² de section ; elle est exprimée en Ω·m. C’est la grandeur inverse de la conductivité électrique.

REMARQUE / Les sections nécessaires avec de l’aluminium seront supérieures à celles nécessaires avec du cuivre pour cette raison.

ISOLANT

En électricité, un isolant, aussi appelé matériau diélectrique, est une partie d’un composant ou un organe ayant pour fonction d’interdire le passage de tout courant électrique entre deux parties conductrices.

Les isolants protègent l’homme des risques de contact et protègent les autres conducteurs du risque de court-circuit.