Électricité
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L’électricité est une manifestation énergétique due aux différentes charges électriques de la matière. Pour les scientifiques, l'électricité est très proche du magnétisme, ils ont donc créé une discipline, l’électromagnétisme, qui regroupe l'étude des phénomènes électriques et magnétiques.
C'est au cours du XIXe siècle que les propriétés de l'électricité ont été comprises. Sa maîtrise a permis l'avènement de la seconde révolution industrielle et aujourd'hui l'énergie électrique est omniprésente.
Sommaire |
[] Nature de l'électricité
Comme la masse, la charge électrique est une propriété abstraite, qui permet aux physiciens d'expliquer certains comportements de la matière. Cela veut dire que personne n'a jamais observé directement une charge électrique, mais que les scientifiques ont remarqué des similitudes de comportement en étudiant certaines particules. Ils ont postulé que ces particules avaient une caractéristique en commun, dont les propriétés coïncidaient avec leurs observations.
Contrairement à la masse, il existe deux types de charges électriques, qui se comportent comme si elles étaient « opposées » l'une à l'autre ; on les appelle donc par convention positive et négative.
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| deux charges de nature opposée s'attirent | deux charges de même nature, par exemple deux charges positives, se repoussent |
Des charges de nature opposées s'annulent ; les particules qui possèdent autant de charges positives que de charges négatives sont électriquement neutres.
[] L'électricité statique
Voir l’article Électrostatique.Les atomes qui composent la matière sont faits d'électrons chargés négativement qui se déplacent autour d'un noyau composé de neutrons et de protons chargés positivement. Le nombre d'électrons étant égal au nombre de protons, l'ensemble est électriquement neutre.
Quand on frotte certains matériaux entre eux, les électrons superficiels des atomes de l'un sont arrachés et récupérés par les atomes de l'autre. Par exemple une tige de verre frottée sur un tissu de soie se charge positivement, car ses atomes perdent des électrons au bénéfice de la soie ; Si on frotte un ballon de baudruche sur des cheveux secs, on le charge négativement, car il capte des électrons aux cheveux.
Une règle en plastique frottée sur des vêtements possède une charge négative. Elle peut alors attirer des petits morceaux de papier. La règle modifie, par induction électrostatique, la répartition des charges dans le papier : les charges négatives de la règle repoussent les charges négatives à l'autre extrêmité du morceau de papier et attirent les charges positives des atomes de papier.
On parle d'électricité statique, car les charges électriques ne peuvent pas circuler : elles sont piégées dans des matériaux isolants : (le plastique, le verre, le papier..) qui résistent à la circulation des charges. Il est toutefois possible de leur associer un courant électrique (détectable directement ou par le champ magnétique qu'il crée) en déplaçant physiquement le matériau chargé.
[] Le courant électrique
Voir l’article Courant électrique.Il existe aussi des matériaux conducteurs, comme les métaux, l'eau salée, le corps humain ou le graphite par exemple, qui permettent aux charges électriques de se déplacer facilement.
Lorsqu'on marche sur une moquette, le frottement des pieds sur le sol arrache des électrons et, le corps se charge d'électricité statique. Quand on touche une poignée de porte métalique, on ressent alors une petite décharge électrique accompagnée d'une étincelle, causée par le déplacement brutal des charges électriques s'écoulant vers le sol à travers les matériaux conducteurs de la porte.
Cet écoulement est dû au fait qu'il y avait plus de charges dans le corps que dans le sol : comme deux charges de même nature ont tendance à se repousser, dans un conducteur elles vont chercher à se déplacer vers le point le moins chargé. Cette différence de charges entre le corps et le sol est appelée une différence de potentiel.
Pour créer un courant électrique, il faut donc un circuit de matériaux conducteurs qui permettra aux charges électriques de se déplacer et, un système capable de créer une différence de potentiel entre les deux extrémités du circuit. Ce système est appelé un générateur : ce peut être par exemple une pile ou une dynamo.
[] Le sens du courant
Dans un circuit électrique on dit que le courant électrique, noté I, circule entre les électrodes depuis le pôle positif vers le pôle négatif du générateur. Ce sens est purement conventionnel puisque le courant peut aussi bien être causé par des charges positives qui seront attirées par le pôle négatif du générateur, que par des charges négatives qui se déplaceront en sens inverse, vers le pôle positif. C'est ainsi que dans un fil électrique, les charges positives (les noyaux des atomes) restent fixes dans la structure du métal et ne peuvent constituer aucun courant électrique ; le courant électrique dans un métal est créé uniquement par le déplacement des charges négatives (les électrons libres) vers le pôle positif du générateur : c'est un courant électronique, cependant on utilise toujours le sens conventionnel I du courant, institué avant cette découverte.
On parle de courant continu quand le sens reste constant et, de courant alternatif quand il change périodiquement. La fréquence d'un courant alternatif est le nombre de périodes par seconde. Elle s'exprime en hertz [Hz], par exemple en Europe le courant distribué dans les installation électriques est à une fréquence de 50 Hz.
[] Analogie hydraulique
Pour comprendre certaines propriétés du courant électrique, il est intéressant de le comparer à de l'eau s'écoulant dans un circuit de tuyaux. Le générateur peut alors être vu comme une pompe chargée de mettre en pression ce liquide dans les tuyaux.
La différence de potentiel, ou tension, ressemble alors à la différence de pression entre deux points du circuit d'eau. Elle est notée U, et exprimée en volts [V].
L'intensité du courant électrique peut être rapprochée du débit d'eau dans le tuyau. Elle mesure le nombre de charges qui passent chaque seconde à un point du circuit ; elle est souvent notée I, et mesurée en ampères A.
La résistance d'un circuit électrique serait alors le diamètre des tuyaux. Plus les tuyaux sont petits, plus il faut de pression pour avoir le même débit ; de façon analogue, plus la résistance d'un circuit est élevée, plus il faut une différence de potentiel élevée pour avoir la même intensité. La résistance électrique mesure donc la faculté de freiner plus ou moins le passage du courant. Elle est notée R et, elle est exprimée en ohms Ω.
Il est possible de pousser cette analogie beaucoup plus loin [1] mais il est important de garder à l'esprit qu'elle a ses limites et que certaines propriétés du courant électrique s'écartent sensiblement de ce modèle à base de fluide, de tuyaux et, de pompes.
[] Histoire de l'électricité
Voir l’article Histoire de l'électricité.Électricité est un mot provenant du grec êlektron signifiant ambre jaune. Les anciens Grecs avaient découvert qu’en frottant l’ambre jaune, celui-ci produisait une attirance sur d’autres objets et, parfois des étincelles. Ils ont donc appelé cette force électricité.
En 1799, Alessandro Volta invente la pile électrique et en 1868 le belge Zénobe Gramme réalise la première dynamo. En 1879 Thomas Edison présente sa première ampoule électrique à incandescence. En 1879 une centrale hydraulique de 7 kW est construite à Saint-Moritz et en 1883, Lucien Gaulard et John Dixon Gibbs créent la première ligne électrique.
L'électricité se développe alors progressivement pendant le vingtième siècle, d'abord dans l'industrie, l'éclairage public et le chemin de fer avant d'entrer dans les foyers. Différents moyens de production de l'électricité se développent : Centrales hydraulique, thermique, éolien, puis nucléaire...
[] L'électricité dans la nature
Les échanges électriques sont omniprésents dans la nature. En général, il s’agit de phénomènes ni très visibles, ni évidents, mais ils sont fondamentaux ; les forces électromagnétiques et électrofaibles font partie des quatre interactions fondamentales qui structurent tout l’univers.
[] La foudre
Voir l’article Foudre.
La friction de nombreux matériaux naturels ou artificiels produit de la triboélectricité. La foudre est une énorme décharge électrique due à l'accumulation d'électricité statique dans les nuages. En temps normal l'air est un isolant qui ne laisse pas passer l'électricité. Quand les nuages d'orages accumulent trop de charges électriques, ils parviennent à la structure de l'air en la transformant localement en un plasma ionisé qui conduit l'électricité. Des arcs électriques se forment alors entre le nuage et la terre : les éclairs.
L'électrisation de l'air peut donner lieu à d'autres phénomènes, comme le Feu de Saint-Elme
[] Au cœur de la matière
C'est l'électricité qui permet la cohésion des atomes de la matière, par exemple dans les cristaux de sels. Les circulations de charges électriques interviennent dans de nombreux phénomènes naturels, et notamment dans les réactions chimiques d’oxydo-réduction comme la combustion.
Le champ électromagnétique terrestre est lui aussi créé par des courants électriques circulant dans le noyau de notre planète.
[] Les poissons électriques
Voir l’article Poisson électrique.
Les poissons électriques sont capables d'utiliser le courant électrique pour s'orienter, pour se protéger ou bien pour communiquer. Il existe des espèces qui sont capables de produire de véritables décharges électriques : 600 V pour l'anguille électrique. Cela lui permet d'assommer ses proies avant de les consommer. Ils produisent de telles décharges électriques grâce à leur organe électrique, qui ont une structure interne semblable aux muscles.
[] L'influx nerveux
En réalité tous les êtres vivants produisent de l'électricité pour animer les muscles ou pour transmettre de l’information par l'influx nerveux des nerfs par exemple. C'est ainsi que les médecins utilisent l'électrocardiographie et l'électro-encéphalographie pour vérifier le bon fonctionnement du cœur ou du cerveau. La science qui étudie la production d'électricité par les êtres vivants est l'électrophysiologie.
[] Les applications humaines
Aujourd'hui l'électricité sert pour l'éclairage, le chauffage ou la climatisation. Elle fait tourner les moteurs électriques qui font avancer les trains ou fonctionner les appareils ménagers. Elle fait fonctionner les appareils électroniques, le téléphone, la radiodiffusion, la télévision, la sonorisation. L’informatique, les automates, les communications numériques (internet, réseaux) ont besoin d'électricité.
[] Le réseau domestique
Voir l’article Réseau électrique.À part les appareils à piles ou les batteries d'automobile, la majorité de l'électricité utilisée dans la vie quotidienne provient du réseau électrique. Chaque habitation est reliée au réseau par l'intermédiaire d'un tableau qui contient au moins un compteur destiné à la facturation ainsi qu'un disjoncteur servant d'interrupteur général et, permettant de protéger l'installation. De ce disjonteur sortent deux conducteurs qui alimentent l'installation domestique : la phase et le neutre et parfois deux conducteurs de phase supplémentaires, dans les installations triphasées. On trouve un troisième conducteur pour la mise à la terre.
On trouve ensuite un tableau de fusibles ou de disjoncteurs, distribuent le courant dans les différents circuits de la maison. On prévoit généralement des circuits spécialisés pour les appareils qui ont besoin de beaucoup de puissance (four, cuisinière électrique, lave-linge, lave-vaisselle, chauffe-eau...), normalement, par pièce un circuit pour l'éclairage et un pour les prises électriques.
On utilise des interrupteurs pour ouvrir ou fermer les circuits électriques. Il est possible d'utiliser des montages spéciaux comme un va-et-vient ou un télérupteur quand on souhaite créer plusieurs points de commande, par exemple à chaque bout d'un couloir.
[] Applications industrielles
- L'électrolyse sert à fabriquer l'aluminium, à plaquer les métaux...
- Les moteurs électriques servent à fournir de l'énergie mécanique de rotation pour des machines
- Les arcs électriques servent à souder ou à découper des métaux
- l'alimentation de circuits électroniques, de relais, de contacteurs permet des séquences automatisées.
[] Santé et électricité
L'électrisation est le passage de courant électrique dans le corps humain. Quand le courant est trop fort cela peut par exemple entraîner des brûlures ou un arrêt cardiaque. On considère habituellement qu'une tension de plus de 50 V altérnatifs / 120 V continues présente un danger potentiellement mortel : voir électrocution.
Les conséquences d'une électrisation dépendent de la nature de la tension (alternative ou continue), de la résistance du corps humain généralement admis comme étant à 5000 ohms et 500 ohms dans l'eau, de l'amplitude du courant circulant et du temps de passage de ce courant. Il est couramment admis quelques seuils sur lesquels se basent les règles de sécurité :
au-dessus de 20 mA, danger de fibrilation cardiaque si passage par le coeur. en dessous de la TBT (Très Basse Tenssion) 50 VAC / 120 VDC, peu de danger pour l'homme (U/R<30mA). au-dessus de 1000 V, danger même sans être au contact car ionisation de l'air autour du conducteur, les distances d'approche minimales sont évaluées.
Il est à noter que l'absence visuelle de brûlure après une électrisation n'exclue pas des brûlures internes sur le chemin de passage du courant dans le corps pouvant engendrer des nécroses.
Mais l'électricité sert aussi à soigner : elle est la seule énergie pouvant alimenter les appareils de pointe utilisés en médecine, permettant des techniques de soin telles que radiothérapie, électropuncture, stimulateur cardiaque, prothèse), et de diagnostic telles que radiographie, scanner, résonance magnétique, endoscopie.
[] Contexte réglementaire
En France, le décret N° 88-1056 du 14 novembre 1988 qui traite de la protection des travailleurs dans les établissements assujettis au code du travail livre 2 titre 3 qui mettent en œuvre des courants électriques. Il s’applique également aux entreprises étrangères à l’établissement et auxquelles celui-ci confie soit des travaux sur ses propres installations électriques, soit des travaux de quelque nature que ce soit au voisinnage d’installations électriques.
[] Normalisation
Il existe en France trois normalisations en électricité :
- internationale : la Commission électrotechnique internationale (CEI)
- européenne : le Comité européen de normalisation en électronique et en électrotechnique (CENELEC)
- française : l’Union Technique de l'Electricité et de la communication (UTE)
La normalisation en France est réglementée par la loi du 24 mai 1941 qui a créé l’Association française de normalisation (AFNOR) et définit la procédure d’homologation des normes. Cette loi est complétée par le décret n° 84-74 du 26 mai 1974, modifié par les décrets n° 90-653 et 91-283.
Par ailleurs, une norme homologuée peut être rendue d’application obligatoire par arrêté, mais cette procédure n’a été jusqu’à présent que peu utilisée en électricité. ( NF C15-100, NF C13-200 )
Il existe deux grandes familles de normes qui visent d’une part la construction du matériel électrique et d’autre part la réalisation des installations électriques.
Les principales normes de réalisation sont :
- la NF C 15-100 : installations électriques à basse tension ;
- la NF C 13-100 : postes de livraison ;
- la NF C 13-200 : installations électriques à haute tension ;
- la NF C 14-100 : installations de branchement (basse tension).
Les principales normes de conception sont :
- la NF C 20-010 : classification des degrés de protection procurés par les enveloppes ;
- la NF C 20-030 : règles de sécurité relatives à la protection contre les chocs électriques ;
- la NF C 71-008 : baladeuses.
[] La production d'électricité
| Sources de production en 2000 [2] | |
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L'électricité représente environ un tiers de l'énergie consommée dans le monde. L'électrotechnique est la science des applications domestiques et industrielles (production, transformation, transport, distribution et utilisation) de l'électricité.
[] Stockage
Si les batteries d'accumulateurs font des progrès constants elles ne sont encore utilisables qu'à petite échelle. L'électricité est donc considérée comme une énergie qui ne se stocke pas.
Il est donc nécessaire d'équilibrer à tout moment la production et la consommation d'électricité. Les centrales thermiques au gaz, au pétrole ou au charbon, sont généralement utilisées pour répondre à des pics de demande. On utilise aussi des stations de pompage-turbinage entre deux retenues d’eau : pendant les heures creuses l'eau est pompée vers le bassin supérieur et pendant les heures de pointe l'eau passe dans une turbine qui produit un appoint d'électricité sur le réseau.
[] Production
Voir l’article Production d'électricité.
La méthode la plus courante pour produire de grandes quantités d'électricité est d'utiliser un générateur, convertissant une énergie mécanique en une tension alternative. D'une manière générale la source n'est pas forcément mécanique, on peut penser aux piles ou aux panneaux solaires par exemple.
Cette énergie d'origine mécanique est la plupart du temps obtenue à partir d'une source de chaleur, issue elle-même d'une énergie naturelle, telles les énergies fossiles, pétrole, nucléaires ou une énergie renouvelable, l'énergie solaire. On peut également directement utiliser une énergie mécanique, l'énergie hydraulique ou l'énergie éolienne.
[] Transport et distribution
Voir l’article Réseau électrique.Le courant qui circule sur réseau électrique est le plus souvent alternatif et triphasé car c'est le plus économique à produire et à transporter. Alors que le consommateur final à besoin de courant à basse tension, plus simple et moins dangereux à utiliser, il est plus économique de transporter un courant à très haute tension sur de longues distances.
En effet, à puissance constante, si l'on augmente la tension alors on réduit l'intensité du courant (P=U*I) et donc également les pertes par effet Joule ou pertes thermiques (Pth=R*I^2) mais aussi l'effet "peau d'orange" qui limite la circulation des forts courants à la surface extérieure des conducteurs ce qui obligerait des grosses sections de câbles de cuivre. On utilise donc des transformateurs élévateurs de tension de manière à réduire l'intensité du courant pour le transporter.
[] Conversion transformation
Les tensions électriques peuvent être transformées et converties. En règle générale pour les grosses puissances, les tensions sont alternatives et passent par des transformateurs pour convertir le courant en flux magnétique lui-même converti à nouveau en courant grâce à des bobines. Ce principe permet de changer le niveau de tension tout en conservant la fréquence et une isolation galvanique entre le réseau primaire et secondaire du transformateur. Pour les puissances le permettant technologiquement, on utilise des convertisseurs à semiconducteurs (transistors, thyristors) :
Des redresseurs pour convertir une tension alternative en tension continue.
Des onduleurs pour convertir les tensions continues en alternatives.
Des convertisseurs permettent la conversion directe de tension continue en tension continue par découpage à haute fréquence.
[] Les métiers de l’électricité
L'électrotechnique est une technologie qui peut être pratiquée par un ingénieur, un électrotechnicien, un dessinateur-projeteur...
Le bobineur est un technicien qui réalise les circuits magnétiques comme ceux des moteurs ou des générateurs. Le monteur-câbleur réalise les armoires de commande, et il procède au raccordement.
Les électriciens câblent les réseaux basse tension dans le bâtiment, l'industrie, le tertiaire, la marine, l' aéronautique ou l'automobile par exemple.
[] Notes
- ↑ Précisions et développements de l'analogie hydraulique pour U, R et I, mais aussi les sources de tension (continue ou alternative), les points de masse, les condensateurs et les inductances : Analogie hydraulique
- ↑ Source Science & Décision [1]
[] Voir aussi
[] Liens externes
- (fr) Idées reçues sur l'électricité, Institut national de recherche pédagogique (INRP)
- (fr) Le site ampère du CNRS sur l'histoire du courant électrique
- (fr) Les ondes sont partout ! (Site du jour)
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