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De la base au circuit électrique

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1/3 : Commençons par une introduction globale...

A quoi sert le courant électrique ?

Les réponses étant nombreuses, tâchons de les rassembler :

Les principaux effets

  • Effet calorifique ou thermique : l'incontournableQuel que soit l'effet recherché, celui-ci sera présent car toute circulation de courant électrique engendre un échauffement même minime.
    Les ampoules à incandescence (à filament) utilisent cet effet pour éclairer !
    On le nomme aussi effet Joule (nom du physicien ayant énoncé la relation entre circulation de courant électrique dans une résistance et sa montée en température)
  • Effet magnétique : le plus réversibleLe courant électrique permet de produire des électro-aimants et si tous les autres effets sont réversibles, c'est celui-ci qui offre un excellent rendement (jusqu'à + de 90%) dans les 2 sens de conversion !
  • Effet chimique : pilesPiles, accumulateurs rechargeables...... électrolysePour produite l'aluminium ou séparer oxygène et hydrogène de l'eau...
    Sans compter les innombrables traitements de surface des métaux : chromage...
    ...
Principaux effets du courant électrique
Cliquez l'animation pour relancer...

Autres effets

  • Effets physiologiquesLes effets néfastes sur le corps humain entraînant électrisation et électrocution....

    Mais aussi des effets (volontaires ou pas) sur notre système nerveux
    Si notre système nerveux réagît au courant électrique c'est parque qu'e notre cerveau l'utilise.
    : sur le Vivant
  • Effet lumineux : fluorescent et LEDAttention ! Seule la lampe à filament produit indirectement de la lumière à cause uniquement de l'effet Joule (thermique) d'où sont médiocre rendement de 2 à 5% !

    LED ou DEL (en anglais) et tubes fluorescents produisent plus directement de la lumière
    Rendement de 10 à bientôt 50% pour les LED !
  • Effet photovoltaïqueLes panneaux solaires...
  • Effet de HallUtilisations très nombreuses allant des touches de certains claviers en passant par la pince ampèremétrique en courant continu...
  • Effet 'électroniqueLe monde des semi-conducteurs qui envahissent tous nos appareils électroniques !'
  • ...

L'énergie électrique est la plus universelle car la plus aisée à convertir vers les autres !


Comment exploiter le courant ?

En théorie 2 mais 3 éléments sont indispensables !


  1. Le générateur que l'on va pour cette fois nommer circulateurLe mot circulateur pour insister sur le fait que c'est une circulation. Le courant électrique circule dans un circuit fermé et aucun électron n'est produit ou perdu.

    Maintenant que cela est précisé, on utilisera générateur comme tout le monde, même si ce mot fait plutôt penser à une 'production'...
  2. Le récepteur qui est un conducteurMoins bon conducteur que les conducteurs de liaison (fils), sous peine de court-circuit, le récepteur est néanmoins un conducteur...
    S'il était isolant, l'effet serait nul, le courant ne circulerait pas !
    !
  3. Et enfin les fils, conducteurs de liaisonSi vous devez raccorder votre générateur à votre récepteur, vous utiliserez des fils conducteurs
    (un câble est constitué d'au moins 2 fils : aller et retour, tandis que le fil est un conducteur unique)
    (Leur utilité est pratique : ils assurent la liaison)




Zoom sur cet élément

Statique ou dynamique ?

Commençons par le plus grand défaut de l'énergie électrique :


Son stockage en quantité confortable est problématique. En disposer de manière statique afin qu'elle soit disponible en permanence, prête à l'emploi, sans (trop) se perdre en cas de non utilisation est encore complexe.
D'ailleurs dans mon jeune âge, (si-si, les piles existaient déjà), une marque depuis disparue arborait fièrement : La pile Wonder ne s'use que lorsque l'on s'en sert !
Mais voilà, l’énergie contenue dans une pile n'est toujours pas capable de rivaliser avec un jerrycan d'essence... Quand aux accumulateurs, ils sont longs à charger, polluants, utilisent des métaux rares... Seuls les supercondensateurs et piles à combustibles devraient résorber ces limites.
Quoi qu'il en soit, le courant électrique stockable est obligatoirement continuL'alternatif requière un mouvement, seul un onduleur statique permettrait de recréer de l'alternatif mais le stockage, lui, resterait en continu lisse ! !

Statique : celui que l'on stocke. Dynamique : celui que l'on produit uniquement lorsqu'une autre énergie est disponible (soleil, eau dans la cascade, vent...).

Quelques générateurs

Générateur usuels
A gauche pile,  batterieBatterie seul veut dire 'quantité' : batterie de casseroles...
Donc batterie d'accumulateurs ou à la rigueur d'accus est + adapté !
d'accumulateurs en fond, panneaux solaire suivent, éoliennes au centre, exploitation de barrages et chutes d'eau (hydroélectricité) et enfin à la droite du dessin : les centrales nucléaires.
Seuls les générateurs situés aux extrêmes n'exploitent pas d'énergies dites renouvelablesCertainement plus que le nucléaire, il faut toutefois tenir compte du renouvellement (≃ 15 /25 ans) des panneaux solaires, de l'usure des alternateurs d'éoliennes et turbines (marées et chutes d'eau)....

Continu et alternatif ?

L'un tourne, change de sens, mais pas l'autre ! C'est aussi simple que cela !
Piles, accus, condensateurs et autres supercondensateurs ne fonctionnent qu'en continu : on les charge et ils ne restituent que dans un sens !
Les panneaux solaires exploitent l'effet photovoltaïque, un des effets photoélectriques, pour produire une tension électrique. Ce phénomène est à 'sens unique' : le courant généré est continu.

Seule la conversion d'énergie mécanique, obtenue généralement par rotation, produit un courant alternatif dû aux variations de champ magnétique Nord et Sud. Voir : Courant alternatif, cours connexe en fin de page.
Pour les plus anciens, ils existait des dynamos fournissant un courant continu mais la dynamo utilisait des balais appelés aussi 'charbons' ainsi qu'un collecteur pour 'redresser' le courant généré ; ce qui limitait leur fiabilité tout en diminuant leur rendement (efficacité énergétique).




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Quelques récepteurs

Chaque récepteur évoqué ici est utilisé pour convertir une énergie électrique vers une autre.
Pour cette raison, transformateurs et autres convertisseurs de tension ne seront pas cités ici puisqu'ils ne font que modifier les rapports d'une même énergie en produisant indirectement, par pures pertes JoulePertes thermiques, la circulation de courant électrique dans tout conducteur provoque un échauffement, de l'énergie thermique. 
Certains récepteurs sont réversiblesAvec plus ou moins d’efficacité !.


Tableaux synthétiques :

énergie électrique énergie mécanique
bobinesTous les moteurs électriques, les électroaimants et piézoélectricitéPar exemple certaines imprimantes à jet d'encre utilisent ce procédé pour envoyer quelques picolitres d'encre.
1 picolitre = 10^-12 litre

Nombreux injecteurs de carburants pour voitures utilisent aussi ce procédé
énergie mécanique énergie électrique
bobinesAlternateurs, dynamos... et piézoélectricitéLe briquet et le quartz !
Voilà le meilleur moyen de résumer cet effet dans ce sens :
Comment un impact génère une étincelle due à une tension

énergie électrique énergie thermique
tout conducteur ! non réversiblePertes thermiques, la circulation de courant électrique dans tout conducteur provoque un échauffement !
(du filament de l'ampoule au fil résistifs des chauffages...)
énergie thermique énergie électrique
thermocouplesDeux conducteurs de matière différente reliés ensemble (soudure) à une extrémité offrent une tension entre leurs autres extrémités (non reliées) si un écart de température existe entre la zone reliée (soudée) et la zone non reliée où sont disposées les 2 autres extrémités :Thermocouple soudures froide et chaude

énergie électrique énergie chimique
électrolyseTraitements de surface, production d'aluminium...
énergie chimique énergie électrique
piles, accumulateurs

énergie électrique énergie lumineuse
LED, fluorescence
énergie lumineuse énergie électrique
photovoltaïque (énergie rayonnante solaire)




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A la base, l'él...


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2/3 : Les conducteurs et isolants électriques

Conducteurs

La majorité des métaux sont de très bons conducteurs.
Le cuivre est la matière la plus utilisée, l'aluminium le remplace quelquefois pour des raisons de poidsMasse due à la densité du métal.
Enfin l'or est utilisé pour ses qualités inoxydables dans les contacts électriques.

Le carboneMais suffisant pour électrocuter des pêcheurs aux cannes en ce matériaux par temps orageux !
Méfiance donc !
est un conducteur moyen, la rouille (et tous les autres oxydes métalliques) sont aussi de mauvais conducteurs utilisés d'ailleurs pour leur résistance intrinsèque afin de réaliser des résistorsLe composant appelé incorrectement résistance mais étant le terme largement rependu, nous le retiendrons aussi !
Résistors ou résistances électriques
!

Le rôle des conducteurs est donc de relier générateur et récepteur en engendrant le moins de pertes Joule (inutiles) possible !

Isolants

Tous les plastiques, le verre et parmi les meilleurs isolants électriques (et thermique) : les céramiques.
Les plastiques sont très utilisés pour les fils d'installation.
Les vernis, pour leur épaisseur faible, sont privilégiés dans les enroulements de bobines (moteurs, transformateurs...)

Le bois (isolant correct si sec, mauvais si humide), papier (pour les fils auparavant !) et dérivés, l'eau pure (nous allons y revenir)...
Et l'air : puisque c'est lui qui, dans les interrupteurs, 'coupe' le courant pour stopper la circulation électrique !

Frontière ?

Il n'y en a pas, aucun matériaux n'est 100% conducteur ou 100% isolant !
L'échelle va des plus mauvais conducteurs au meilleurs :Mauvais et bons conducteurs
De gauche à droite : bon conducteur, semi-conducteur et isolant....
En fin de page, conseil sur les atomes :
Atomes dernière couche isolant conducteur




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Conducteur sans circulation de courant

Conducteur sans courant électrique, déplacement anarchique
Dans un corps conducteur, l'échange d'électrons entre noyaux d'atomes est permanent mais totalement anarchique...
Aucun mouvement ne s'organise : Aucun effet n'est engendré !

Circulation de courant dans un conducteur

Conducteur, circulation de courant électrique, déplacement contraint, échauffement négligeable
Le générateurNotre fameux circulateur est une 'pompe' à électrons ! organise la circulation des électrons dans un sens déterminé pour produire l'effet escompté.

Circulation excessive de courant électrique

Conducteur, circulation de courant électrique, déplacement excessif, échauffement dangereux
Lorsque la quantité d'électrons en circulation contrainte devient trop élevée pour la section d'un conducteur, l'effet JouleInhérent à toute circulation de courant électrique ! risque de transformer les conducteurs en récepteurEst récepteur celui qui subit l'effet principal : un conducteur ne doit s'échauffer que de manière négligeable lorsqu'il est correctement dimensionné ! !




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L'isolant bloque la circulation

L'isolant n'échange pas d'électrons, le courant ne circule pas
Les isolants, ou très mauvais conducteurs, ont leur dernière couche saturée (voir conseils+ en fin) et n'échangent pas (ou quasiment pas) d'électrons rendant impossible toute circulation et donc tout effet électrique !

Tension trop élevée = destruction

L'isolant est détruit par surtension, il a claqué
Nous allons voir que si cet effet est quelquefois recherché, tout est conçu pour le rendre quasiment impossible !

C'est pour cela que les outils et tournevisOutils isolés 1 kV BT ainsi que les câbles et fusiblesFusible gg 4 A 500 V~ affichent une tension maximale d'utilisation.




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L'eau ? Mauvaise isolante ou mauvaise conductrice ?


Si l'eau pureOn ne parle pas d'eau du robinet mais d'eau chimiquement pure H2O est isolante, l'eau chargée de sels minéraux devient mauvais isolant...
Et plus mauvais isolant que l'air, d'où le raccourci souvent entendu :
L'eau est conductrice... Non, disons que c'est un isolant moins efficace que l'air sec !




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Isolant rendu conducteur

Pour ne retenir que les plus célèbres :

Le tube fluorescent

comporte un gazPas du néon mais un gaz constitué notamment de vapeurs de mercure qui est plutôt isolant mais qui, sous l'effet d'une HTHaute Tension > ici à 10 000 V s'ionise et provoque une circulation de courant électrique entre les 2 extrémités du tube, générant de la lumière :
Tube fluorescentPhoto tube fluorescent

La bougie

de tout moteur thermique à explosion :
Bougie moteur thermique à explosion
L'espace entre les électrodesEspace (généralement de 0.6 à 0.8 mm) entre l'électrode de masse vissé à la culasse et l'électrode centrale cylindrique ou comme ici : pointue est baigné par le mélange air / essence (sous pression). Ce mélange est isolantOn parle plutôt de rigidité diélectrique ; 'résistance mécanique' de l'isolant à la force que représente la tension ! électriquement mais la HTHaute Tension ≃ 20 kV (voir multiples au besoin en fin de page pour 'k' de kilo) générée par la bobine d'allumage va émettre une étincelle entraînant son explosion.




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Cochez le ou les très bons conducteurs électri...


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3/3 : Circuit électrique = générateur, conducteurs et récepteur

Sens réel des électrons !

Impossible de réaliser un cours d'électricité sans vous le révéler un jour, donc autant s'en débarrasser de suite : tout est basé sur une erreur !
Les premiers scientifiques qui ont échangé leur expériences, ont défini arbitrairement un sens au courant électrique allant du + vers le !
Nous savons désormais que le sens électronique (réel) est inverse : du vers le +

Maintenant que c'est avoué, nous n'utiliserons plus ce sens, au profil du sens conventionnelCelui qui est très majoritairement usité... ci-dessous. Nous nous devions toutefois de vous le révélerIndispensable à savoir pour l'effet chimique notamment... !
Circuit électrique sens réel

Sens conventionnel :

Circuit électrique sens conventionnel
Le + en rouge et le en bleu
Le courant électrique circule du + vers le à l'extérieur du générateurLa roue à aube à gauche illustre une 'pompe à électrons'. Très important :
Cette animation vous démontre qu'aucun électron n'est 'produit' !
Il ne s'agit bien que d'une circulation !
. Par contre, à l'intérieur du générateur, le courant circule du vers le +.
Enfin le récepteurLe filament de l'ampoule est un conducteur moins efficace que les fils d'alimentation ce qui le rend lumineux en le chauffant à blanc (> 2000°C) ici à droite (une ampoule) est alimenté via des conducteursQui servent de 'tuyaux'.




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On insère un isolant pour interrompre

Circuit électrique interrompu
La séparation des conducteurs, en insérant de l'air, représente l'action d'un interrupteur ! Notez que le potentiel électrique présent aux bornes du générateur se retrouve désormais aux bornes de l'interrupteur !
C'est pour cela que l'on n'intervient jamais en électricité en se 'contentant' d'avoir 'éteint' au niveau de l'interrupteur : le plus isolant 'prend tout' !

L'interrupteur simple

1


Manipulez l'interrupteur pour allumer ou éteindre la lampe, les traits gras verticaux représentent les rails d'alimentationObservez les rails prendre les couleurs rouge et bleu sur le schéma., en nous évitant de représenter le générateur, ils allègent le schéma électrique !
Enfin, l'interrupteur s'installe en sériedans le circuit principal, à la 'queue leu-leu' avec les autres éléments, indifféremment sur le + ou le – (surtout vu le sens réel...).
Toutefois, là aussi par conventionLes automobiles anglaises avaient le + de la batterie d'accus reliée au chassis et non pas le – !, on l'installe généralement par normalisation coté +.




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Polarité du courant

Les récepteurs résistifs qui n'exploitent que l'effet thermique Joule n'ont pas de polarité, on dit qu'ils ne sont pas polarisés, car ils fonctionnent indifféremment du sens (quel que soit le sens du courant) aussi bien en continu qu'en alternatif !
Par contre, il en va que très rarement de même pour les phénomènes magnétiquesLes moteurs purement continus changent de sens avec la polarité
Seul les 'universels' acceptent aussi l'alternatif...
(mais pas pour des niveaux de tension comparables)
et absolument pas de même pour les récepteurs exploitant l'effet chimiqueAvec la bonne polarité, on réalise un placage d'Or sur un métal ordinaire. En inversant la polarité, ce serait l'Or qui couvrirait le vulgaire métal ! !



Courant alternatif = les 2 sens !

Circuit électrique courant alternatif
N'imaginez pas que le courant électrique alternatif est besoin de 'faire tout le tour' pour produire son effet !
Ce qui produit l'effet c'est le déplacement, comme le démontre cette animation pédagogique :
Les électrons, qui se meuvent lentement contrairement à l'onde de choc résultant de leur déplacement, n'ont point besoin de traverser l'ensemble du circuit pour produire leur effet ce qui permet à tout courant d'apparaître quasiment instantanément !

Dans tous les cas : tout ce qui sort, rentre !





Zoom sur cet élément

Récepteurs alimentés ou pas ? ...


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Vitesse du courant électrique

électrons : effet boules de pétanques vitesse du courant
Dès l'impact de la boule de gauche (représentant un électron) une boule sort à droite !
Onde de choc et électrons
L'animation ci-dessus représente la grande célérité de la propagation de l'onde de chocA la vitesse de la lumière dans le vide : 300 000 km / s
Environ 10% moins vite dans le cuivre
par rapport à la bien plus lente vitesse de déplacement des électronsQuelques km / h !

C'est donc bien par la très rapide propagation de cette onde de choc que le courant électrique apparaît instantanément lorsque l'on ferme un interrupteur :
A chaque extrémité du contact, l'onde de choc et les électrons 'attendent' !

Electrons, atome, matière

électrons gravitant autour du noyau
Pour simplifier, la matière est constituée d'atomesReprésentation simplifiée ici du noyau + en rouge et des électrons – bleus qui gravitent autour, autour de leur noyau gravitent des électrons dont le nombre est lié au numéro atomique (tableau périodique des éléments, Mendeleïev.

Les électrons, chargés négativement, tournent autour du noyau, positif, en plusieurs cercles concentriques formant un nuage (nuage électronique).

Lorsque la dernière couche d'électrons, couche périphérique, est saturéeElle comporte le nombre requis d'électrons, équilibre des charges le matériaux est isolant ou très mauvais conducteurAucun isolant n'est parfait, en exemple :
L'eau pure est isolante mais l'eau courante avec sels minéraux est mauvaise conductrice


A l'inverse les bons conducteursAucun conducteur n'est parfait, il oppose toujours une résistance électrique présentent une dernière couche non saturée, ils échangeront donc facilement des électrons !
Dernière couche électrons
De gauche à droite : bon conducteur, semi-conducteur et isolant

Tableau des (sous) multiples

1
2
3
4
T Téra 10^12

1
— = m
k
G Giga 10^9
M Mega 10^6
k kilo 10^3
Unité 1
m milli 10^–3
1
— = k
m
µ micro 10^–6
n nano 10^–9
p pico 10^–12
T Téra 10^12




1
— = µ
M
G Giga 10^9
M Mega 10^6
k kilo 10^3
Unité 1
m milli 10^–3
1
— = M
µ
µ micro 10^–6
n nano 10^–9
p pico 10^–12
T Téra 10^12







1
— = n
G
G Giga 10^9
M Mega 10^6
k kilo 10^3
Unité 1
m milli 10^–3
1
— = G
n
µ micro 10^–6
n nano 10^–9
p pico 10^–12
T Téra 10^12










1
— = p
T
G Giga 10^9
M Mega 10^6
k kilo 10^3
Unité 1
m milli 10^–3
1
— = T
p
µ micro 10^–6
n nano 10^–9
p pico 10^–12

Le supercondensateur


Le supercondensateur : généralités

Là où un accumulateur est limité à quelques centaines (milliers) de cycles charge / décharge ; les supercondensateurs supportent au moins 100 fois plus jusqu'à concurrence d'1 million de cycles !
Ils acceptent aussi d'être rechargés en moins d'une minute (à condition de pouvoir fournir la puissance nécessaire !), supportent des intensités de déchargeRésistance série plus faible et donc absence d'échauffement bien supérieures aux accus, ne chauffent pas et résistent mieux à l'auto-décharge ! Photos de supercondensateurs.3000 Farad SupercondensateurTension de 2.7 V par supercondensateur
En Chine, un tramway utilise cette technologie ; le tramway se rechargeant en quelques secondes à chaque arrêt-bus, en déployant un pantographe et lors des freinages !
Les supercondensateurs offrent en 2017 une densité énergétique proche de celle d'un accumulateur au plomb soit ≃ 1 million de fois supérieure aux condensateurs classiques. Pour une masse bien moindre ! La tension unitaire est de 2.7 V, des modules 16.2 V6 × 2.7 V en série = 16.2 Volts ; un alternateur de voiture ne dépasse pas 14.4 V ; par contre attention aux chargeurs bas de gamme qui fournissent jusqu'à 20 V à vide !
Explosion garantie
sont disponibles pour les automobiles avec équilibrageUn condensateur étant isolant, rien ne garanti que la tension va se répartir uniformément en se divisant par 6 pour mise en série :
Batterie de supercondensateurs 16.2 V

Comparatif supercondensateur, accumulateur :

Accumulateurs SuperCondensateurs
Charge lente (10 mn à 10 heures)

Puissance faible :
I maxi ≃ 10 fois I nominal

Recyclage indispensable
(recyclage complexe, énergivore ; matériaux utilisés très polluants et rares)

Durée de vie courte
(de 500 à 2000 cycles suivant technologie)

Recharge complexe
(Micro-contrôleur requis)
Charge très rapide
(quelques secondes à 1 mn)

Puissance très élevée :
I maxi 'quasiment' illimité

Recyclage simple
(graphène, nanotubes de carbone)

Durée de vie très élevée
(de 100 000 à 1 000 000 de cycles et + encore !)

Encore onéreux et rare
(pour de fortes capacités)

Les supercondensateurs sont, par exemple, la seule technologie réellement capable de récupérer l'énergie au freinage d'un véhicule (intensité trop élevée et temps trop court pour des accumulateurs), l'industrie de la Formule 1 les utilise d'ailleurs depuis quelques années déjà !
Enfin sa stabilité avec les variations de température est bien supérieure (pas d'acide liquide ou de gel = pas d'évaporation) !
Conseils+, compléments, prérequis :
Vitesse du courant
Atomes électrons
(sous) Multiples
Super-condensateur


Crée le 12 / 04 / 2017, der. màj le 29 / 09 / 2017 par : Guillaume (Guillaume DUPAS)
Contributeur Guillaume DUPAS Gu5835e07c1389f
Cours vu 438 fois ★☆☆☆☆
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