S. Bourdreux Sciences Physiques au lycée Phase, neutre, masse, terre Le vocabulaire de l électricité L installation domestique Presque tous les particuliers sont alimentés en «230V 50Hz monophasé». Dans une installation domestique, le fournisseur d électricité vous propose un compteur d où partent les deux fils conducteurs du «secteur», la phase et le neutre. Le neutre a un potentiel électrique proche de celui de la terre, soit de 0 V) Le potentiel de la phase varie entre 325 et +325 V Remarque Une tension alternative de 230V 50 Hz varie 50 fois par seconde entre 325 V et + 325 V. La tension efficace U eff se définit à partir de l amplitude de tension (ici U max = 325 V) par la relation U eff U max 2 Aux deux premiers fils du compteur doit s ajouter un troisième fil, installé par un électricien, qu on appelle la terre. Ce fil est relié à un piquet métallique effectivement enfoui dans la terre à proximité de la maison. Résumons : l installation dépend de trois fils auxquels sont reliées toutes les prises électriques de la maison. terre phase neutre La prise standard présente deux bornes femelles, la phase et le neutre, et une borne mâle, la terre. Remarque La norme impose que la couleur des fils utilisés pour le neutre soit bleue, et vert et jaune pour la terre. Les fils de phase peuvent avoir n importe quelle couleur (hormis le bleu, et le vert/jaune). Exemple de schéma d une installation électrique
Notion de masse Etymologiquement, la masse (du latin massa) désigne un amas, un tas ; elle désigne une certaine quantité de matière. La masse désigne le fil conducteur dont le potentiel servira de référence pour toutes les mesures de différence de potentiel. Sur les schémas électriques, la masse est représentée par un "petit balai". symbole de la masse 2 Le concept théorique associé est donc le potentiel de référence choisi arbitrairement en un point du circuit. La masse est reliée à l'une des bornes du générateur du circuit, le plus souvent la borne négative. Le choix de la masse est a priori fait par l expérimentateur. Par exemple dans une automobile, la borne de la batterie est reliée au châssis métallique qui ensuite sert de conducteur pour le retour du courant au générateur et permet d'économiser un conducteur électrique. Notion de terre Nos pieds nous relient à la terre. Si nous touchons un point dont l'état électrique (le potentiel) est différent de celui de la terre, un courant traverse notre corps, qui est conducteur. Si la différence de potentiel est forte, ce courant peut causer des dommages importants. Or, la plupart des appareils présentent des parties extérieures métalliques, donc conductrices, pouvant être touchées par l'utilisateur (boîtier, radiateur, vis...). Il n'est pas impossible qu'une de ces parties métalliques soit accidentellement en contact avec une partie du circuit électrique de l'appareil et se trouve à un potentiel très différent de celui de la terre, d'où un danger potentiel avec les appareils électriques reliés au secteur. Pour éviter ce problème, toutes ces parties métalliques sont reliées entre elles, l'ensemble formant la "carcasse", elle-même relié à la terre par l'intermédiaire de la prise de terre. On dit que la masse de l'appareil est à la terre. Cette masse "carcasse" n'est pas choisie par l'utilisateur, elle est donc différente de la masse électrique. Son symbole normalisé est symbole de la terre L'utilisateur peut choisir comme masse électrique la masse carcasse! On parlera donc souvent de "masse" sans autre précision. Attention : sur de nombreux appareils reliés au secteur que nous utilisons, une des bornes (la borne noire, ou celle qui porte le symbole de la masse carcasse) est reliée à la masse carcasse, donc à la terre. Cela implique que les bornes noires ou masses de ces appareils sont reliées entre elles par l'intermédiaire de la terre. Cette liaison n'est pas parfaite et on l'améliorera fréquemment en utilisant un fil. Cependant cela signifie que relier la borne rouge d'un appareil à la borne noire d'un autre appareil, les deux étant reliés au secteur, équivaut à mettre le premier en court-circuit! Dangers de l électricité Le corps humain est un conducteur et peut être parcouru par un courant électrique. Si une personne touche accidentellement la phase et le neutre, elle peut être électrocutée et risque de mourir si elle n est pas secourue d urgence. Si un individu touche la phase en étant au contact d un sol conducteur (ciment, terre, carrelage ) il s électrocute également. L électrocution est un choc électrique entraînant un effet physique ressenti lors du passage du courant électrique dans le corps, de 10 à 20 ma : apparition de picotements, puis tétanisation des muscles : il n y a pas de danger
de 25 à 30 ma : tétanisation des muscles avec contraction de la cage thoracique et risque d asphyxie au-dessus de 30 ma : fibrillation du cœur et arrêt des battements cardiaques Si un courant d intensité supérieure à 30 ma passe dans le corps humain pendant quelques secondes, il entraîne la mort. Sous une tension de 220 V, ce seuil est souvent dépassé. Par ailleurs, la résistance du corps humain diminue dans certaines conditions : en milieu humide, la peau laisse passer plus facilement le courant dont l intensité est alors plus grande. En effet, la résistance du corps humain peut être assimilée à une résistance propre du milieu organique voisine de 300 à 500 en série avec une résistance de contact de la peau variable selon les situations, mains sèches, la résistance vaut entre 10 000 et 50 000 mains humides, la résistance ne vaut plus que 1 000 Dans les conditions d immersion (salle de bain par exemple), la peau présente une résistance de contact nulle. Voilà pourquoi la loi fixe la limite des tensions non dangereuses à 25 V dans les locaux humides et à 50 V dans les conditions habituelles ; au lycée, vous ne manipulerez pas de tensions supérieures à 24 V. Si le nombre d appareils fonctionnant simultanément est important, l intensité du courant électrique augmente dans une ligne ; les fils s échauffent et peuvent provoquer un incendie. 3 Protection La protection des circuits électriques est assurée par des coupe-circuits de différents types, les fils fusibles ou plus couramment les «plombs», inutilisés aujourd hui les cartouches fusibles les disjoncteurs divisionnaires Ils ont pour rôle de couper le courant du circuit en cas de dépassement de la limite prévue et également en cas de court-circuit. Dans les cartouches fusibles, le fusible est contenu dans une cartouche ; certains comportent un témoin qui indique si le fusible est à changer. Les disjoncteurs divisionnaires sont placés au départ des circuits constituant l installation. En cas d incident, le disjoncteur du circuit concerné se déclenche. Il faut éliminer la cause du défaut avant de relever le levier et de remettre le disjoncteur en fonctionnement. Le disjoncteur coupe le courant de l ensemble de l installation quand l intensité atteint une limite dépendant du contrat de l abonné (par exemple, 10 ou 30 A). La prise de terre est un conducteur de protection qui permet d écouler le courant de fuite vers la terre ; ce courant est détecté par un disjoncteur différentiel qui, lorsqu il est placé en tête d installation, permet de détecter les courts-circuits détecter la présence de courant de fuite vers la terre veiller à ce que la puissance utilisée ne dépasse pas celle de l abonnement souscrit Grâce à la prise de terre, la carcasse métallique d un appareil électrique est reliée à la terre. Si un contact accidentel apparaît entre un fil de phase dénudé et le métal de l appareil, le courant se partage entre le neutre et le fil de terre (courant de fuite). Le disjoncteur différentiel détecte cette fuite et coupe immédiatement le courant (30 ma pour les installations modernes). La prise de terre et le disjoncteur différentiel sont inséparables, la sécurité découlant de cette association. Remarque importante : les deux doivent être couplés (d où la désuétude des prises à 2 fiches femelles, sans terre) ; une prise à 3 bornes ne constitue pas en elle-même une sécurité si la fiche mâle n est pas bien reliée à la terre. On utilise deux techniques pour fabriquer des disjoncteurs.
4 Disjoncteur bilame Disjoncteur bilame en temps normal (gauche) et en surcharge (droite) Mécanisme de rupture du disjoncteur bilame
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Disjoncteur magnétique 6 Disjoncteur magnétique en temps normal (gauche) et en surcharge (droite) Mécanisme de rupture du disjoncteur magnétique