INTRODUCTION A L ELECTRICITE

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1 INTRODUCTION A L ELECTRICITE I/ Introduction Si ces derniers ne font toujours pas bon ménage, l eau et le courant électrique ont beaucoup de points communs. C est pourquoi une analogie entres eux est souvent utilisée afin de démontrer plus facilement au néophyte le cheminement du courant électrique et le fonctionnement des composants qui en découlent. Car l eau est un élément couramment utilisé bien plus " palpable ", (heureusement) que l électricité. II/ Analogie entre l électricité et l hydraulique Quelle correspondance y a-t-il entre les matériels hydrauliques et électriques? Figure 1 : Analogie électricité hydraulique Si nous suivons le sens de l eau nous partons d une pompe (générateur, alternateur, turbine, dynamo, pile, batterie, panneau solaire, éolienne). q Cette pompe refoule sur une conduite, l eau se trouve stockée dans un grand réservoir de stockage B (batterie ou accumulateur), qui permet une grande réserve. L eau de par sa hauteur s écoule ensuite par gravité (fils). La vanne équivaut à un interrupteur. La turbine (moteur) actionnée par l eau produira une puissance mécanique P (Puissance), proportionnelle au produit de la hauteur d élévation totale par le débit d eau. On notera avant la turbine un rétrécissement R (Résistance) qui limitera le débit d eau. 1

2 A quoi correspondent la tension et le courant? Le courant? On imagine bien que le courant électrique I (flux de charges (d électrons) à travers une section de conducteur) I= Q/ t ( Q : quantité de charges électrique (C) passées à travers la section S cu pendant le temps t (s)) S cu Electrons en mouvement Figure 2 : Courant Sens du courant est équivalent au débit d eau q= V/ t ( V : volume d eau (m 3 ) passé dans la section pendant le temps t (s)) Molécules d eau en mouvement q La tension? On sait que si l on augmente la tension V dans un circuit électrique et que la charge n évolue pas (résistance et moteur), alors le courant I augmente. De même, si l on augmente la différence d altitude entre le niveau supérieur de l eau et l'axe de la turbine, appelée Hauteur Elévation Totale en hydraulique, le débit d eau augmente. On peut donc dire que la différence d altitude d eau est l équivalente, en électricité, à la Différence De Potentiel (D.D.P.), U (Tension) 2

3 III/ Limites de ces circuits Quels sont les éléments qui limitent le fonctionnement de la plupart des matériels? (Comment choisir le matériel (électrique))? Première limite : Qu est-ce qui limite l hydraulique? Les tuyaux d une épaisseur fixe, les raccords et la vanne ne sont pas parfaits. Si l on ferme la vanne, et qu on augmente la hauteur d eau h, la pression dans les tuyaux va augmenter. Sous l effet de cette forte pression, les tuyaux vont se fendre et les raccords et la vanne vont se mettre à fuir. Figure 3 : fuite hydraulique Parallèle avec l électrique? En électricité, le problème est le même. Si l on augmente la tension, il va y avoir des fuites d électrons à travers les isolants des conducteurs. On appelle cela le claquage des isolants. Des arcs électriques vont se former. Ce phénomène se produit pour tous les appareils électriques soumis à des tensions trop importantes (car ils ont des isolants). U Si U trop élevé => arc U électrique Figure 4 : Fuite électrique 3

4 Seconde limite Qu est-ce qui limite l hydraulique : Si on se débrouille en ouvrant la vanne pour que le débit d eau soit plus important, on augmente la vitesse des molécules d eau dans le tuyau. Les composants hydrauliques ne sont pas parfaits, les molécules d eau frottent dessus (elles se frottent entre elles). Il va donc se produire un échauffement. En admettant que cet échauffement devienne insoutenable pour les tuyaux, ceux-ci vont se mettre à craquer (surtout s ils sont en matière plastique). Tuyau Molécules d eau en mouvement Frottements Profil de vitesse Figure 5 : Frottements Parallèle avec l électrique? En électricité, le problème est le même. Si l on augmente le courant électrique dans les fils ou les matériels qui ne sont pas parfaits, la résistance interne de ceux-ci va chauffer. Si la chaleur est trop importante, les matériaux isolants vont se détériorer et perdront de leur caractéristique isolante créant ainsi des fuites, entraînant des courts-circuits. U I R Figure 6 : Agitation thermique R va chauffer avec I² 4

5 IV/ Quelques grandes lois de l électricité que nous allons utiliser Loi d ohm Dans un résistor parfait : u r = R. i u r : Tension aux bornes du résistor (en Volts) R : Valeur de la résistance (en Ohms) i : Courant absorbé par le résistor (en Ampères) i R u r Figure 7 : Dipôle Attention : le fléchage est en convention récepteur Puissance absorbée électrique Cas général : p(t) = u(t). i(t) Le dipole étant flèché en convetion récepteur : - si p(t) est positif, alors le dipole absorbe (consomme) de l énergie (fonctionnement en récepteur) ; - si p(t) est négatif, alors le dipole restitue de l énergie (fonctionnement en générateur). i(t) u(t) Figure 8 : Convention En continu : P = U.I P : Puissance absorbée par le composant (en Watts) U : Tension aux bornes du composant (en Volts) I : Courant entrant dans le composant Ampères) (en I U Figure 9 : Puissance continu 5

6 En alternatif monophasé : Vˆ : Tension maximale (crête) Î : Courant maximal (crête) V eff = Valeur efficace de la tension aux bornes du composant (en Volts) = V crête / 2 I eff = Valeur efficace du courant entrant dans le composant (en Ampères)= I crête / 2 i(t)= Î sin(2.π.f.t φ v/i ) u(t)= Vˆ.sin(2.π.f.t) Figure 10 : grandeurs sinusoïdales P = V eff. I eff. cos φ v/i P : Puissance électrique absorbée par le composant (en Watts) φ v/i : déphasage entre la tension et le courant (dépendant du type de récepteur) Figure 12 : Fresnel Figure 11 : Allure des grandeurs monophasées En alternatif triphasé : P = 3. V eff. I eff. cos φ v/i P = 3/ 3. U eff. I eff. cos φ v/i P= 3. U eff. I eff. cos φ v/i u 31 u 12 u 23 P : Puissance absorbée par le composant (en Watts) U eff : Valeur efficace de la tension entre phases (en Volts) I eff : Valeur efficace du courant en ligne (en Ampères) φ v/i : déphasage entre la tension simple et le courant en ligne (dépendant du type de récepteur) Figure 13 : Réseau triphasé 0 0 0,005 0,01 0,015 0, Figure 14 : Allures de grandeurs triphasées v1(t) v2(t) v3(t) i1(t) i2(t) i3(t) u12(t) u23(t) u31(t) 6

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