Circuits, composants et grandeurs MODULE 1. Circuits. Composants et grandeurs. Performances-seuils. L élève sera capable 1. d expliquer un circuit électrique et ce qu il comprend, 2. d énoncer les différentes grandeurs.
Circuits, composants et grandeurs 1. Le circuit électrique. Un circuit électrique comprend au moins : un générateur quelconque en bon état des fils de raccordement (aussi appelés «conducteurs») un ou plusieurs récepteurs le tout formant une suite ininterrompue de corps conducteurs. Un interrupteur fait presque toujours partie de l installation. On peut aussi distinguer le circuit intérieur (générateur) du circuit extérieur (reste de l installation). 1. Le générateur. Il existe principalement deux grandes sortes de générateurs : générateur à courant continu (C.C.) qui idéalement est unidirectionnel et d intensité constante, générateur à courant alternatif (C.A.) qui change constamment d intensité et de sens. C est le générateur qui fournit l énergie nécessaire au circuit.
Circuits, composants et grandeurs On désignera le générateur C.C. par les symboles suivants : et le générateur alternatif par les symboles suivants : 1.2. L interrupteur. Constitué en général d une lamelle métallique, sa fonction tout ou rien est d autoriser oui ou non le passage du courant électrique. Exemple : Il existe plusieurs types d interrupteurs (unipolaire, bipolaire, va et vient, etc..), ils seront détaillés au cours de pratique.
Circuits, composants et grandeurs Remarque : De plus en plus l interrupteur conventionnel est remplacer par un interrupteur électronique faisant partie de la famille des semi-conducteurs. On rencontre donc des diodes, transistors, thyristors, triacs, etc. Cela fait partie d un cours approfondi en électronique. 1.3. Les récepteurs. Un récepteur est un appareil qui reçoit de l énergie électrique et qui la transforme en énergie calorifique, chimique, mécanique, etc. Notion de rendements : Les appareils ou les machines sont en fait des transformateurs d énergie. Ainsi, un moteur électrique transforme de l énergie électrique en énergie cinétique ; un poêle à mazout transforme de l énergie chimique en énergie thermique ; une pompe hydraulique transforme de l énergie cinétique en énergie potentielle ; un moteur à explosion transforme de l énergie chimique en énergie cinétique ; un haut parleur transforme de l énergie électrique en énergie cinétique ; une batterie d accumulateurs transforme de l énergie chimique en énergie électrique et vice-versa Principe de Lavoisier ou de la conservation de l énergie : Dans chaque processus, «rien ne se perds, rien ne se crée, tout se transforme».
Circuits, composants et grandeurs 1.4. Les conducteurs. On dit d une pièce ou d une matière qu elle est conductrice si elle transmet de la chaleur, de l électricité. Différents fils raccordés aux bornes d une même batterie ne sont pas parcourus par le même courant. L intensité du courant débité dépend de nombreux facteurs liés à la nature du matériau dont est constitué le fil. Les conducteurs sont les matériaux qui permettent un passage aisé des électrons, même si la tension appliquée est très petite. Le cuivre étant le plus important conducteur, il a été utilisé comme référence pour établir le tableau ci-dessous. Métal Conductivité relative (%) Argent 105 Cuivre 100 Or 70,5 Aluminium 61 Tungstène 31,2 Nickel 22,1 Fer 14 Constantan 3,52 Nichrome 1,72 Calorite 1,44 Notons que l aluminium, autre conducteur d emploi assez généralisé, est d une conductibilité relative de 61 % ; ce sont d autres facteurs, c est-à-dire sa masse et son coût, qui en font l intérêt.
Circuits, composants et grandeurs 2. Les grandeurs. 2.1. Le courant - L Ampère. Si on raccorde les extrémités d un fil de cuivre aux bornes d une batterie, les électrons libres du cuivre dérivent vers la borne positive. Tandis que les ions positifs continuent à osciller autour de leur position fixe. La borne négative agit alors comme une source d électrons remplaçants les électrons libres qui se dirigent vers la borne positive. La borne négative cède autant d électrons que n en reçoit la borne positive. il y a donc déplacement d électrons et apparition d un courant électrique. Définition : Le courant est un déplacement d électrons, il se quantifie en ampères (A). Les électrons se déplace du (borne négative) vers le + (borne positive) et représente le sens réel du courant électrique. Ce sens est utilisé par les électroniciens. Les électriciens utilisent toujours le sens conventionnel qui malheureusement faux, indique que le courant circule du + (borne positive) vers le (borne négative). Sachant la définition du courant, on peut définir la notion de quantité d électricité :
Circuits, composants et grandeurs La quantité d électricité est le nombre d électrons transportés par un courant électrique (I) en un temps donné (t). Q = quantité d électricité en coulombs (C) I = l intensité en ampères (A) t = le temps en secondes (s) On peut alors écrire l équation : Q I t 2.2. La tension le volt. Le déplacement des électrons dont il a été question précédemment est créé par une «pression» extérieure obtenue d une énergie potentielle. Par définition, l énergie potentielle est la capacité de produire du travail. Ainsi, une masse m élevée à une hauteur h au-dessus d un plan de référence possède une énergie potentielle déterminée par la relation : Energie potentielle (Ep) = mgh (en joules) g est l accélération gravitationnelle, m la masse et h la hauteur (distance séparant l objet et le plan de référence). Elle peut donc produire un travail, par exemple broyer un objet placer sur le plan de référence. Plus la masse sera élevée, plus elle va acquérir de l énergie potentielle et par conséquent la capacité de produire un travail supplémentaire. Manifestement entre les deux points au-dessus du plan de référence, il existe une différence de potentielle. Si on compare ce résonnement avec une batterie : L action chimique interne d une batterie provoque le phénomène suivant : accumulation de charges négatives (les électrons) sur la borne négative et accumulation de charges positives (les ions positifs) sur la borne positive. Il se crée une différence de potentiel (d.d.p.) entre les deux bornes en raison de la position des charges. Cette d.d.p. se mesure en volts (V) et est appelée force électromotrice (f.é.m.) si elle est produite par une source semblable à une batterie. Définition : La tension est une pression d électrons, elle se quantifie en volts (V).
Circuits, composants et grandeurs Résumé, analogie pour mieux comprendre. 1. On peut considérer que le générateur (batterie, etc ) est un réservoir contenant une quantité de charges. 2. Lorsque je mesure la tension aux bornes d un générateur, je mesure la pression régnant à l intérieur du réservoir. 3. Pour que je puisse mesurer un courant, il faut qu un récepteur (appareil quelconque) soit raccordé au générateur. 4. Prenons un tuyau d eau raccordé avec une vanne fermée à une extrémité et une pompe en fonctionnement à l autre extrémité. Si la vanne est fermée, l eau ne circule pas le courant est égale à 0. Si j ouvre la vanne, l eau peut circuler, il y a un courant. C est la même chose avec l électricité, lorsque l intérupteur est ouvert, aucun courant ne circule, dès que l interrupteur est fermé, un courant s établi déplacement d électrons.
Circuits, composants et grandeurs 2.3. La résistance L ohm. Une résistance est un composant qui «résiste» s oppose au passage du courant. En pratique elle sera utilisée pour limiter le courant pouvant circuler dans un circuit. Sa valeur s exprime en ohms () Les résistances se présentent sous de nombreuses formes mais toutes sont soit fixes soit variables. La résistance fixe de faible dissipation la plus communément employée est la résistance agglomérée : Les dimensions des résistances fixes ou variables dépendent de leur puissance nominale : elles augmentent avec la puissance, de sorte que la résistance puisse être traversée par des courants élevés et qu elle puisse mieux dissiper la chaleur. Exemples de tailles de résistances en fonction de la puissance qu elles peuvent développer : Les résistances fixes ne sont évidemment pas toutes agglomérées, en voici d autres types :
Circuits, composants et grandeurs Les résistances variables se présentent aussi sous de nombreuses formes ; de façon générale, elles sont linéaires ou non linéaires (logarithmiques). La résistance variable à trois bornes peut être appelée rhéostat ou potentiomètre, selon la façon dont elle est utilisée. Marquage et valeurs ohmiques standard. Beaucoup de résistances, fixes ou variables, ont des dimensions suffisantes pour permettre le marquage en clair de leur valeur ohmique sur leur emballage. Certaines toutefois sont trop petites ; on a alors recours à un code de couleurs. Ainsi la résistance agglomérée fixe porte sur son boîtier, à l une de ses extrémités, quatre anneaux de couleurs. Le quatrième anneau donne la tolérance du fabricant, mesure de la précision avec laquelle est réalisée la résistance. L absence du quatrième anneau indique que la tolérance est de +/- 20%.
Circuits, composants et grandeurs Tableau du code de couleurs. 0 Noir 7 Violet 1 Brun 8 Gris 2 Rouge 9 Blanc 3 Orange 0,1 Or 4 Jaune 0,01 Argent 5 Vert 5% Or 6 Bleu 10% Argent Exemples : Entre quelles limites absolues la valeur ohmique d une résistance peut-elle se situer, si le marquage est le suivant : 1) 1 er anneau 2 ème anneau 3 ème anneau 4 ème anneau Blanc 9 Violet 7 Noir 0 Or +/- 5% 97 +/- 5% Comme 5% de 97 = 4,85, la valeur de la résistance peut être de 97 +/- 4,85 ; elle se situe donc entre 92,15 et 101,85. 2) 1 er anneau 2 ème anneau 3 ème anneau 4 ème anneau Gris 8 Bleu 6 Or 0,1 Or +/- 5% 86 x 0,1 = 8,6 +/- 5% La valeur ohmique de la résistance est donc comprise entre 8,17 et 101,85. 3) 1 er anneau 2 ème anneau 3 ème anneau 4 ème anneau Jaune 4 Orange 3 Rouge 2 Argent +/- 10% 4300 +/- 10% La valeur ohmique de la résistance est donc comprise entre 4290 et 4310.
Circuits, composants et grandeurs Valeurs ohmiques standard des résistances : Ohms () Kilohms (k) Mégohms (M) 0,10 0,11 0,12 0,13 0,15 0,16 0,18 0,20 0,22 0,24 0,27 0,30 0,33 0,36 0,39 0,43 0,47 0,51 0,56 0,62 0,68 0,75 0,82 0,91 1,0 1,1 1,2 1,3 1,5 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,7 3,0 3,3 3,6 3,9 4,3 4,7 5,1 5,6 6,2 6,8 7,5 8,2 9,1 10 11 12 13 15 16 18 20 22 24 27 30 33 36 39 43 47 51 56 62 68 75 82 91 100 110 120 130 150 160 180 200 220 240 270 300 330 360 390 430 470 510 560 620 680 750 820 910 1000 1100 1200 1300 1500 1600 1800 2000 2200 2400 2700 3000 3300 3600 3900 4300 4700 5100 5600 6200 6800 7500 8200 9100 10 11 12 13 15 16 18 20 22 24 27 30 33 36 39 43 47 51 56 62 68 75 82 91 100 110 120 130 150 160 180 200 220 240 270 300 330 360 390 430 470 510 560 620 680 750 820 910 1,0 1,1 1,2 1,3 1,5 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,7 3,0 3,3 3,6 3,9 4,3 4,7 5,1 5,6 6,2 6,8 7,5 8,2 9,1 10,0 11,0 12,0 13,0 15,0 16,0 18,0 20,0 22,0 Note : les valeurs en gras ont une tolérance de 10 %. 2.4. La Puissance Le watt. La puissance est une mesure de la quantité de travail qui peut être fournie en un temps déterminé, c est-à-dire le quotient de travail accompli par unité de temps. Le travail se mesurant en Joules(J) et le temps en secondes, la puissance (P) se mesure en joules par seconde. En électricité, l unité de mesure de la puissance est le watt, équivalent à 1 J/s. Exprimée mathématiquement, la relation est : P W ( joules) t( s) W t
Circuits, composants et grandeurs Le watt doit son nom à Monsieur James Watt, qui contribua à l établissement d unités de mesure de la puissance. Il définit le horsepower (hp) (le cheval vapeur) comme étant la puissance moyenne fournie en une journée par un fort cheval de trait. La relation entre le horsepower et le watt est : 1horsepower 746watts La puissance absorbée ou fournie par un dispositif ou un système électrique peut se calculer en fonction de l intensité du courant et de la tension. P U I P = la puissance en watts U = la différence de potentielle en volts I = l intensité du courant en ampères