b. Transport de l'électricité: L'électricité a besoin de chemins pour se déplacer. On a donné le nom de ''circuits'' à ces chemins.

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1 E.1 Généralités: a. Utilité de l'électricité: Les appareils que nous utilisons ont besoin d'énergie pour fonctionner. les deux sources principales d'énergie utilisées par les humains sont: {deux sources} les hydrocarbures (chauffage, transport etc...) L'électricité (appareils électriques, chauffage, éclairage etc...) b. Transport de l'électricité: L'électricité a besoin de chemins pour se déplacer. On a donné le nom de ''circuits'' à ces chemins. E.2 Courant électrique (I): Le courant électrique représente le mouvement de particules chargées par rapport au temps. {particule} a. Dans les conducteurs, se sont les électrons qui se déplacent. En effet, un certain nombre d'électrons sont faiblement liés à leur atome et peuvent se déplacer. Ces électrons se trouvent dans la bande de conduction. Les ions positifs formés sont retenus en place par des forces de liaison. b. Il existe deux types de courant dans les circuits électriques: Le courant continu (DC): le courant se déplace toujours dans la même direction. Le courant alternatif (AC): le courant change continuellement de direction. En Amérique du nord, le courant fait 60 allers retours par seconde (donc 120 changements par seconde). Sur les appareils électriques, il est toujours inscrit 60Hz (60 Hertz). En Europe, c'est 50Hz. {DC} {AC} É. Létourneau 1

2 c. Sens du courant dans les circuits où le courant est continu. Malheureusement, on croyait autrefois que c'était les charges positives qui se déplaçaient dans les conducteurs {direction réelle de ''I''} C'est pourquoi le courant conventionnel est représenté comme se dirigeant du (+) au ( ). Cependant, les électrons, eux, se déplacent réellement du ( ) au (+). {conv.} {électr.} {Remarque} Remarque: Normalement, les professionnels tels que les électriciens respectent le courant conventionnel. d. Modèle mathématique (courant continu): {formule} I = Q Δt {Description des termes} I: Courant mesuré en Ampères (A) Q: Charges mesurées en Coulombs (C) Δt: Temps mesuré en secondes (s) Remarque: 1C = 6,24 x és É. Létourneau 2

3 e. Modèle mathématique (courant alternatif) {modèle mathématique} I(t) = Asin (2πfΔt + φ) ou I(t) = Asin (2πΔt + φ) T {description des termes} A: amplitude du courant T: période du signal (temps nécessaire pour compléter un cycle) f: fréquence du signal φ: déphasage Selon ce modèle, le courant alternatif peut être représenté à l'aide du graphique suivant: {graphique} La valeur moyenne du courant électrique sera de: I = A 2 Voir le lien ci dessous pour le courant triphasé electricite.info/articles.php?lng=fr&pg=32 f. vitesse du courant électrique: La vitesse de propagation de ''l'électricité'' dans un circuit électrique est de l'ordre de 2,73 x 10 8 m/s dans le cuivre. Cela représent la vitesse à laquelle un électron communique avec un autre électron. La vitesse à laquelle les électrons se déplacent physiquement dans le fil est de l'ordre de cm/s. Les électrons ne se déplacent donc pas très rapidement. Les électrons dans un circuit où le courant est alternatif ne bougent presque pas. É. Létourneau 3

4 E.3 Résistance électrique (R): La résistance électrique représente la capacité des matériaux de s'opposer au mouvement des charges électriques. a. La résistivité (ρ) est une propriété physique des matériaux. Elle correspond à la valeur de la résistance offerte par un tronçon de 1m de long et de 1m 2 de section d'un matériau quelconque. La résistivité est mesurée en Ohm mètre (Ω m) Ex: la résistivité de certains matériaux connus: {Remarque Cu vs Ag} On remarque que l'argent offre une résistivité plus faible que le cuivre. Cependant, en raison de la rareté de l'argent, on a opté pour l'utilisation du cuivre dans les fils électriques. {ρ vs T} Remarque: La résistivité dépend de la température. Elle est proportionnelle à la température. É. Létourneau 4

5 b. La conductivité (σ): est une propriété physique des matériaux. Elle mesure l'aptitude des matériaux à laisser passer l'électricité. Elle est l'inverse de la résistivité. c. La Résistance électrique (R) est mesurée en Ohms (Ω): La résistance électrique mesure la résistance d'une composante d'un circuit électrique. Elle peut être mesurée grâce à la formule: R = ρ. l S R : résistance mesurée en Ohms (Ω) ρ: résistivité mesurée en Ω m S: section mesurée en m 2 l: longueur mesurée en m Les résistances électriques sont responsables de pertes d'énergie sous forme de chaleur. C'est ce qu'on appelle l'effet Joule. Utilité des résistances: chauffage (en vertu de l'effet Joule) éclairage (ampoules incandescentes T = o C) Fusible Diminution de courant (circuits électroniques) Protection (gaines protectrices permettant la manipulation ou l'utilisation de conducteurs électriques) Les substances utilisées spécifiquement pour empêcher l'électricité de passer sont appelées des isolants (air, caoutchouc) d. Les conducteurs laissent passer le courant électrique. Ils sont donc caractérisés par une faible résistance électrique. Tous les métaux sont de bons conducteurs. Les métalloïdes sont des semi conducteurs. É. Létourneau 5

6 E.4 La tension électrique (U): la tension électrique représente essentiellement la différence d'énergie potentielle électrique que possède une charge électrique entre deux points d'un circuit électrique. De façon simpliste, on obtient: La tension est mesurée en Volts (V) La tension dans les prises de courant est de 120V Le transport de l'électricité implique plusieurs changements de tension en cours de route: E.5 Loi d'ohm: Il s'agit d'une des lois fondamentales qui régit les circuits électriques. (analyse de base) V (ou U): différence de potentiel (volts) R: résistance (Ohms) I: courant électrique (Ampères) É. Létourneau 6

7 E.6 Sources d'électricité: la production d'électricité constitue un problème majeur. a. Centrales: les centrales ont été mentionnées dans le chapitre sur le magnétisme. Centrales hydroélectriques Centrales thermiques Centrales nucléaires Parc d'éoliennes Centrales marémotrices Centrales géothermiques autres. b. Piles: Il existe plusieurs types de piles. Essentiellement toutes les piles sont constituées de: cathode (électrode positive) anode (électrode négative) électrolyte Remarques: Les piles fournissent du courant continu (DC) Les piles sèches possèdent un électrolyte sous forme de pâte. É. Létourneau 7

8 E.7 Sécurité et électricité: il est extrêmement important de respecter les consignes de sécurité lorsqu'on travaille avec des circuits électriques. a. Effets du courant électrique sur le corps humain: Courant (ma) Effet 2 3 Légère sensation de picotement 9 10 Sensation modérée Très douloureux Impossible de relâcher le circuit Paralysie musculaire Difficulté à respirer Extrêmement difficile à respirer Mort (normalement causée par le coeur qui entre en fébrillation) > 200 Arrêt du coeur brûlures graves b. Règle d'or: Avant de travailler sur un circuit électrique, vous devez toujours ''fermer'' le disjoncteur. c. On devrait toujours utiliser les outils appropriés d. On doit toujours respecter les codes et règlements en vigueur dans le choix des matériaux, des types d'installation etc. L'association canadienne des normes (canadian safety association {CSA}) comporte un volet portant sur l'électricité: le code canadien de l'électricité (CCE). É. Létourneau 8

9 E.8 Composantes d'un circuit électrique a. Sources de tension: les sources de tension sont ce qui alimentent les circuits électriques. Symboles: b. Conducteurs. Symboles: Grosseur des câbles: Les câbles sont classés selon un gabarit: le AWG (american wire gauge). Ce gabarit permet de déterminer le courant électrique maximum qui peut circuler de façon sécuritaire dans un câble. Normes: Dans un circuit électrique, des normes existent quant au choix de la grosseur des câbles. Les gabarit suivants s'appliquent pour la maison. Grosseur (AWG) Ampérage (A) Utillisation typique #14 (2 ou 3 fils) 15 Prises de courant Interrupteurs Lumières 70% du câblage normal d'une maison #12 20??? #10 30 Sécheuse électrique #8 45 Cuisinière électrique É. Létourneau 9

10 Les câbles sont normalement fait de: 2 fils: (1 fil noir, 1 fil blanc et un fil de mise à la terre) 3 fils: (1 fil noir, 1 fil rouge, 1 fil blanc et un fil de mise à la terre. Remarque: le fil de mise à la terre n'est généralement pas compté dans le nombre de fils. C'est pourquoi un câble de 2 fils contient réellement 3 fils. La couleur des fils est importante. À la maison, les couleurs suivantes sont normalement utilisées: Fil noir (ou rouge): fil actif (''hot''). C'est le fil qui relie la source de courant à vos appareils. Fil blanc: fil neutre. C'est le fil par lequel l'électricité retourne à la source de courant. Fil à nu (ou vert): fil de mise à la terre (''ground''). C'est le fil par lequel l'électricité devrait passer en cas d'accident. Remarque: dans les moteurs, appareils électroniques etc. il se peut que des fils d'autres couleurs soient utilisés (orange, brun, jaune etc.). Des codes existent mais ils ne sont pas universels (c'est à dire qu'ils peuvent varier d'un pays à l'autre, ou même d'une entreprise à l'autre). c. Mise à la terre: Une mise à la terre est un dispositif de sécurité qui a pour but de conduire l'électricité au sol afin de prévenir des blessures ou dommages lorsqu'un problème survient dans un circuit électrique. L'électricité recherche toujours le chemin le plus facile pour se rendre au sol. En cas d'accident électrique, le fil de mise à la terre représente un chemin plus attrayant que le corps humain pour l'électricité. Symbole: Remarque: Lorsqu'on travaille sur un circuit électrique, le fil de mise à la terre devrait toujours être le premier fil branché et le dernier débranché. Normalement, pour mettre à la terre les maisons, on utilise une tige de métal enfoncé dans le sol ou des plaques de mise à la terre. É. Létourneau 10

11 d. Disjoncteurs: Un disjoncteur est un dispositif de sécurité qui ''saute'' lorsque le courant transporté par un fil devient trop élevé. des codes existent quant au type de disjoncteur utilisé. exemples les fils #14 AWG devraient être reliés à un disjoncteur de 15A. les fils #12 AWG devraient être reliés à un disjoncteur de 20A. Symbole: Remarque: Cela signifie qu'un courant de 16A passant dans un fil #14AWG est jugé trop élevé et que cela pourrait être à la source d'accidents électriques (feu, blessures, etc.). Dès que le courant atteint 15A dans un disjoncteur de 15A, celui ci ''saute'', c'est à dire que le disjoncteur ouvre le circuit et l'électricité ne peut plus passer. e. Fusibles: Un fusible rempli exactement les mêmes fonctions qu'un disjoncteur à la différence près qu'il doit être remplacé lorsqu'il ''saute''. On ne peut pas le ''réamorcer''. Il existe des fusibles dans de nombreux appareils / circuits électriques. Symbole: É. Létourneau 11

12 f. Résistances: Symbole: Code de couleurs: En électronique, on se sert d'un code de couleurs pour identifier les résistances (donner la valeur numérique de la résistance) Dans le cas illustré, la résistance aurait une valeur de: Rouge bleu vert or 2 6 X10 5 ±5% Donc: 26x10 5 ±5% Remarque: la tolérance donne une idée de la précision de la valeur donnée. Dans l'exemple, la valeur de la résistance se situerait donc entre 24,7 x 10 5 Ω et 27,3 x 10 5 Ω. g. Diodes: Les diodes sont un dispositif électrique qui ne laisse passer l'électricité que dans une seule direction. Symbole: Ce symbole est légèrement différent selon le type de diode dont il est question. Remarque: Il existe plusieurs types de diode différents. Ces types de diodes peuvent remplir des tâches différentes. É. Létourneau 12

13 h. Interrupteurs: Un interrupteur est un dispositif qui permet d'ouvrir ou de fermer un circuit électrique. symboles: Il existe plusieurs mécanismes pour accomplir les fonctions d'un interrupteur. i. Relais: Un relais agit souvent à titre d'interrupteur magnétique. Par exemple, un circuit alimenté par un faible courant électrique peut ''fermer'' un autre circuit contenant un gros courant électrique sans que les deux circuits soient directement reliés. symboles: Plusieurs types de relais existent. j. Autres: Il existe une multitude d'autres composantes dans les circuits électriques (ayant leur propre symbole etc.). Il est impossible et inutile d'en faire une liste exhaustive. Il faudra vous adapter aux symboles qui sont pertinents à votre domaine d'expertise! É. Létourneau 13

14 E.9 Outils et outils de mesure a. Multimètre: un multimètre est un instrument qui permet de mesurer précisément différentes variables dans un circuit. Typiquement, un multimètre permet de mesurer: Le courant électrique (ampères) La tension (ou différence de potentiel (volts) La résistance électrique (Ohms) La capacité électrique (Faraday: 1F = 1C / 1V) b. Détecteurs de courant ou de tension simples (témoins): Ces appareils sont utiles lorsqu'on ne veut que vérifier s'il y a un courant ou pas (par exemple pour des raisons de sécurité ou pour déterminer si quelque chose fonctionne) mais que la valeur exacte du courant n'est pas utile. c. Dénudeur de fil: Pour joindre des fils ou les brancher dans un circuit, il faut retirer la gaine protectrice des bouts qu'il faut connecter. Les dénudeurs de fil permettent d'accomplir cette tâche sans endommager le conducteur. d. Ruban électrique: Il arrive parfois que la gaine protectrice d'un fil soit endommagé ou qu'une partie d'un conducteur soit exposée. Dans ces cas là, on peut utiliser du ruban électrique pour remplacer la gaine protectrice. e. Marrettes: Pour joindre deux fils électriques, on utilise des marrettes pour faire en sorte qu'il reste joints de façon sécuritaire sans qu'une partie des conducteurs ne soit exposée. f. Boitiers: Lorsqu'on joint des fils électriques, on dispose la jonction dans une boite par mesure de précaution. Normalement cette boite comprend une mise à la terre. g. Oscilloscope: Un oscilloscope est un instrument de mesure très précis qui permet d'analyser de façon approfondie un signal électrique (par exemple dans un circuit électronique etc.) É. Létourneau 14

15 E.10 Circuits électriques et lois de Kirchhoff a. circuit électrique: Un circuit électrique est un chemin que les électrons peuvent prendre pour se déplacer. b. Un noeud est un endroit où: plusieurs chemins s'offrent aux charges qui se déplacent. plusieurs chemins convergent vers un chemin commun. plusieurs chemins se rencontrent pour se séparer en d'autres chemins. Ex: c. Loi des noeuds (Kirchhoff): Un courant électrique est formé de charges qui se déplacent dans un conducteur. Pour avancer, chaque charge doit ''pousser'' sur une charge se trouvant devant elle. Si un certain nombre de coulombs quittent la borne négative d'une batterie, il faut que le même nombre de coulombs entrent dans la borne positive de la même batterie. (sauf s'il y a un condensateur dans le circuit) Loi de Kirchhoff: La somme des intensités de courant qui entrent dans un noeud est égale à la somme des intensités de courant qui en sortent. Sur le schéma: I 1 + I 2 = I 3 + I 4 É. Létourneau 15

16 d. Loi des mailles (Kirchhoff): La somme algébrique des tensions le long d'une maille doit être nulle. En d'autres mots, la somme des chutes de potentiel dans le circuit doit être égale à la tension de la source. V 1 V source V 2 V 3 V source = V 1 + V 2 + V 3 É. Létourneau 16

17 E.11. Circuits en série. Un circuit en série n'offre qu'un seul chemin possible aux électrons. V = 12V R 1 = 24Ω R 3 = 8Ω R 2 = 16Ω Selon la loi des noeuds, il faut que la valeur du courant électrique soit constante partout dans le circuit. Donc, I t = I 1 = I 2 =... = I n Puisque le courant ne peut passer que par un chemin, chaque résistance représente un obstacle de plus à surmonter pour les électrons. Donc, R t = R 1 + R R n Il en résulte que les électrons doivent dépenser une partie de leur énergie pour franchir chacune des résistances. Il y a donc une ''chute'' de potentiel aux bornes de chaque résistance. Selon la loi des mailles, les électrons s'assurent de ''dépenser'' toute leur énergie avant de retourner à la source. Donc, V t = V 1 + V V n Donc, dans le circuit illustré: {calculez Rt, It, V1, V2 et V3} É. Létourneau 17

18 E.12. Circuits en parallèle. Un circuit en parallèle offre plusieurs chemins aux électrons. R 2 = 40Ω R 1 = 50Ω I 3 = 0,6A Chaque électron qui quitte la source possède la même quantité d'énergie. Il en résulte que les électrons qui arrivent à chacune des résistances possèdent la même quantité d'énergie puisqu'ils n'ont pas eu à passer par d'autre résistances. Il en résulte que la tension aux bornes de chaque résistance est la même. Donc: V t = V 1 = V 2 =... = V n Selon la loi des noeuds, le courant qui arrivent au noeud doit être égale au courant qui en sort. Donc: I t = I 1 + I I n Le calcul de la résistance totale est un peu plus compliqué: {Prouver la formule de résistance totale à partir de It et V1 = V2 etc.} Donc, dans le circuit illustré: {Calculs de V 3, I 1, I 2, I t et R t} É. Létourneau 18

19 E.13. Circuits mixtes. Un circuit mixte est un circuit où certaines composantes sont en série et d'autres sont en parallèle. L'analyse est un peu plus complexe mais il s'agit de respecter les principes étudiés à la section E.11 et E.12. E.14. Panneaux électriques: à venir! Remarque: L'analyse mathématique précise des réseaux de distribution électrique est beaucoup plus complexe que ce qui a été couvert dans ce chapitre. Des concepts tels que des impédances, des inductances etc. s'ajoutent à ce qui a été couvert dans le cadre du cours. É. Létourneau 19

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