Module 1 - Circuits électriques, composants et grandeurs électriques

MODULE 1
électriques
Circuits électriques, composants et grandeurs
MODULE 1.
Circuits électriques.
Composants et grandeurs électriques.
Performances-seuils.
L’élève sera capable …
1. d’expliquer un circuit électrique et ce qu’il comprend,
2. d’énoncer les différentes grandeurs électriques.
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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.
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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.
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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 transformede 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 ».
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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
Argent
Cuivre
Or
Aluminium
Tungstène
Nickel
Fer
Constantan
Nichrome
Calorite
Conductivité relative (%)
105
100
70,5
61
31,2
22,1
14
3,52
1,72
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.
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2. Les grandeurs électriques.
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.
è 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 :
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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).
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Résumé, analogie pour mieux comprendre.
1. On peut considérer que le générateur (batterie, etc…) est un réservoir contenant une
quantité de charges électriques.
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 è 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 è déplacement d’électrons.
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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 (W)
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 :
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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%.
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Tableau du code de couleurs.
0
1
2
3
4
5
6
Noir
Brun
Rouge
Orange
Jaune
Vert
Bleu
7
8
9
0,1
0,01
5%
10%
Violet
Gris
Blanc
Or
Argent
Or
Argent
Exemples :
Entre quelles limites absolues la valeur ohmique d’une résistance peut-elle se situer, si le
marquage est le suivant :
1)
1er anneau
Blanc
9
è 97 W +/- 5%
2ème anneau
Violet
7
3ème anneau
Noir
0
4ème anneau
Or
+/- 5%
Comme 5% de 97 = 4,85, la valeur de la résistance peut être de 97 W +/- 4,85 W ; elle se situe
donc entre 92,15 W et 101,85 W.
2)
1er anneau
2ème anneau
Gris
Bleu
8
6
è 86 x 0,1 = 8,6 W +/- 5%
3ème anneau
Or
0,1
4ème anneau
Or
+/- 5%
La valeur ohmique de la résistance est donc comprise entre 8,17 W et 101,85 W.
3)
1er anneau
Jaune
4
è 4300 W +/- 10%
2ème anneau
Orange
3
3ème anneau
Rouge
2
4ème anneau
Argent
+/- 10%
La valeur ohmique de la résistance est donc comprise entre 4290 W et 4310 W.
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Valeurs ohmiques standard des résistances :
Ohms (W)
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
Kilohms
(kW)
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
Mégohms
(MW)
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 ) W
=
t (s)
t
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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 @ 746 watts
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