L'électricité
L'électricité est une forme d'énergie liée au déplacement ou à la présence de charges électriques. Elle est aujourd'hui indispensable dans notre vie quotidienne : elle permet d'éclairer nos maisons, de faire fonctionner les appareils électroniques, de chauffer, de communiquer et d'alimenter de nombreux systèmes industriels.
Tout ce qui nous entoure est constitué d'atomes. Ces derniers sont formés d'un noyau contenant des protons et des neutrons, entouré d'électrons. Les électrons portent une charge électrique négative. Lorsqu'ils se déplacent dans certains matériaux, ils créent un courant électrique.
Certains matériaux laissent facilement circuler les électrons : ce sont les conducteurs électriques. Les métaux comme le cuivre, l'aluminium ou l'argent sont de très bons conducteurs. À l'inverse, les matériaux qui empêchent le déplacement des charges sont appelés isolants, comme le plastique, le verre ou le caoutchouc.
Pour qu'un courant électrique circule, il faut généralement un circuit fermé. Un circuit électrique simple est composé de plusieurs éléments :
- Un générateur, comme une pile ou une batterie, qui fournit l'énergie électrique.
- Des fils conducteurs, qui permettent aux charges électriques de se déplacer.
- Un récepteur, comme une lampe ou un moteur, qui transforme l'énergie électrique en une autre forme d'énergie.
- Un interrupteur, qui permet d'ouvrir ou de fermer le circuit.
La circulation du courant électrique est décrite grâce à plusieurs grandeurs physiques.
- L'intensité électrique, mesurée en ampères (A), correspond à la quantité de charges électriques qui traversent un circuit pendant un temps donné.
- La tension électrique, mesurée en volts (V), représente la différence d'énergie qui pousse les charges à circuler.
- La résistance électrique, mesurée en ohms (Ω), s'oppose au passage du courant.
La relation entre ces trois grandeurs est décrite par la loi d'Ohm : la tension (U) est égale à la résistance (R) multipliée par l'intensité (I). Cette loi permet de calculer le comportement d'un circuit électrique.
Il existe deux grands types de courant électrique.
- Le courant continu (CC), dans lequel les charges circulent toujours dans le même sens, comme dans une pile ou une batterie.
- Le courant alternatif (CA), dans lequel le sens du courant change régulièrement. C'est celui utilisé dans les prises électriques des habitations.
L'électricité peut être produite grâce à différentes sources d'énergie. Les centrales électriques utilisent notamment le nucléaire, le gaz, le charbon, l'eau des barrages, le vent ou le Soleil pour transformer une énergie initiale en énergie électrique.
L'électricité doit être utilisée avec précaution. Une tension trop élevée ou un mauvais usage peuvent provoquer des électrocutions, des incendies ou des dommages aux appareils. C'est pourquoi les installations électriques possèdent des dispositifs de sécurité comme les fusibles et les disjoncteurs.
L'étude de l'électricité a profondément transformé le monde moderne. De la simple ampoule aux ordinateurs, aux smartphones et aux véhicules électriques, elle est devenue l'une des formes d'énergie les plus importantes de notre civilisation.
- L'électricité statique
- Le courant électrique
- Les circuits électriques
- Le magnétisme et l'électromagnétisme
- Les relais
- La production et le transport de l'électricité
- Les piles, batteries et accumulateurs
- Les transformateurs
- Le redresseur
- L'onduleur
- Le courant monophasé et triphasé
- Les variateurs de fréquence
- La sécurité électrique
Le magnétisme et l'électromagnétisme
Le magnétisme est un phénomène physique associé à certaines matières et aux charges électriques en mouvement. Il se manifeste par des forces d'attraction ou de répulsion capables d'agir à distance. L'étude de ces phénomènes a conduit au développement de l'électromagnétisme, qui décrit les relations étroites entre l'électricité et le magnétisme.
Le champ magnétique
Autour d'un aimant ou d'un conducteur parcouru par un courant existe une région de l'espace où des forces magnétiques peuvent s'exercer. Cette région est appelée le champ magnétique.
Le champ magnétique est une grandeur vectorielle. En chaque point de l'espace, il possède une direction, un sens et une intensité. Son unité est le tesla (T), bien que des champs beaucoup plus faibles soient souvent exprimés en milliteslas ou en microteslas.
Le champ magnétique terrestre est relativement faible, de l'ordre de 50 μT, mais il suffit à orienter l'aiguille d'une boussole.
Les aimants
Un aimant est un objet capable de produire naturellement un champ magnétique permanent. Certains matériaux, comme le fer, le nickel, le cobalt et plusieurs alliages contenant des terres rares, peuvent être aimantés.
Les aimants permanents conservent leur magnétisation pendant de longues périodes, tandis que d'autres matériaux ne deviennent magnétiques que lorsqu'ils sont placés dans un champ magnétique.
Les pôles magnétiques
Chaque aimant possède toujours deux extrémités appelées pôle Nord et pôle Sud.
Deux pôles de même nature se repoussent, tandis que deux pôles opposés s'attirent.
Même lorsqu'un aimant est coupé en plusieurs morceaux, chaque fragment possède à son tour un pôle Nord et un pôle Sud. Il n'existe donc pas de pôle magnétique isolé dans les aimants ordinaires.
Les lignes de champ
Les lignes de champ magnétique permettent de représenter la direction du champ magnétique.
À l'extérieur d'un aimant, elles sortent du pôle Nord et entrent dans le pôle Sud. À l'intérieur de l'aimant, elles reviennent du pôle Sud vers le pôle Nord, formant ainsi des boucles fermées.
Plus les lignes sont rapprochées, plus le champ magnétique est intense.
En saupoudrant de la limaille de fer autour d'un aimant placé sous une feuille de papier, les grains s'alignent spontanément suivant ces lignes de champ et rendent leur forme visible.
Le champ magnétique créé par un courant
En 1820, le physicien danois Hans Christian Ørsted observa qu'une aiguille de boussole se déviait lorsqu'un courant circulait dans un fil électrique. Cette expérience montra qu'un courant électrique crée lui aussi un champ magnétique.
Autour d'un fil rectiligne parcouru par un courant, les lignes de champ forment des cercles concentriques. Leur sens est déterminé par la règle de la main droite : lorsque le pouce indique le sens du courant conventionnel, les doigts enroulés indiquent le sens du champ magnétique.
Plus le courant est important, plus le champ magnétique produit est intense.
La bobine
Une bobine est constituée d'un fil conducteur enroulé en plusieurs spires.
Chaque spire produit un champ magnétique. Les champs créés par toutes les spires s'ajoutent, ce qui renforce considérablement le champ total.
Une bobine traversée par un courant se comporte comme un aimant possédant un pôle Nord et un pôle Sud.
Le champ magnétique devient encore plus intense lorsque la bobine contient un noyau de fer doux.
Le solénoïde
Un solénoïde est une bobine longue comportant un grand nombre de spires régulièrement réparties.
À l'intérieur d'un solénoïde, le champ magnétique est presque uniforme, c'est-à-dire qu'il possède pratiquement la même direction et la même intensité en tout point.
Cette propriété est utilisée dans de nombreux appareils scientifiques et industriels nécessitant un champ magnétique bien contrôlé.
L'électroaimant
Lorsqu'une bobine est parcourue par un courant et qu'elle entoure un noyau de fer, elle forme un électroaimant.
Contrairement à un aimant permanent, un électroaimant ne produit un champ magnétique que lorsque le courant circule.
Sa puissance dépend principalement du nombre de spires, de l'intensité du courant et de la nature du noyau utilisé.
Les électroaimants équipent les relais, les sonnettes, les grues de levage, les serrures électriques, les électrovannes et de nombreux systèmes automatisés.
L'induction électromagnétique
L'induction électromagnétique est le phénomène par lequel une variation de champ magnétique crée une tension électrique dans un conducteur.
Cette découverte, réalisée par Michael Faraday en 1831, constitue le principe de fonctionnement de la majorité des générateurs électriques.
Le champ magnétique peut varier lorsqu'un aimant se déplace devant une bobine, lorsqu'une bobine se déplace dans un champ magnétique ou lorsque l'intensité du champ change au cours du temps.
La loi de Faraday
La loi de Faraday établit que la tension induite dans une bobine est proportionnelle à la rapidité avec laquelle le flux magnétique qui la traverse varie.
Plus cette variation est rapide ou plus la bobine possède de spires, plus la tension produite est importante.
C'est pourquoi les alternateurs produisent davantage d'électricité lorsque leur vitesse de rotation augmente.
La loi de Lenz
La loi de Lenz précise le sens du courant induit.
Le courant produit par induction crée toujours un champ magnétique qui s'oppose à la variation ayant provoqué son apparition.
Si un aimant s'approche d'une bobine, le courant induit crée un champ qui tend à repousser cet aimant. S'il s'éloigne, le courant change de sens afin de s'opposer à cet éloignement.
Cette opposition ne crée pas d'énergie ; elle traduit simplement la conservation de l'énergie dans les phénomènes électromagnétiques.
Les courants induits
Les courants induits apparaissent lorsqu'une tension produite par induction est appliquée à un circuit fermé.
Ils peuvent être créés sans aucun contact électrique direct, uniquement grâce aux variations d'un champ magnétique.
Ce principe est utilisé dans les transformateurs, les générateurs, les plaques à induction, les chargeurs sans fil et de nombreux capteurs industriels.
L'alternateur
Un alternateur transforme l'énergie mécanique en énergie électrique grâce à l'induction électromagnétique.
La rotation d'un aimant devant une bobine, ou d'une bobine dans un champ magnétique, provoque une variation continue du flux magnétique et produit un courant alternatif.
Les centrales électriques, les éoliennes, les barrages hydroélectriques et les groupes électrogènes utilisent tous des alternateurs pour produire l'électricité distribuée sur les réseaux.
La dynamo
Une dynamo repose sur le même principe général que l'alternateur, mais elle délivre un courant continu grâce à un collecteur qui redresse mécaniquement le courant produit.
Les dynamos équipaient autrefois les bicyclettes pour alimenter les phares. Elles sont aujourd'hui largement remplacées par de petits alternateurs associés à des dispositifs électroniques.
Le moteur électrique
Le moteur électrique réalise le phénomène inverse de l'alternateur.
Au lieu de produire de l'électricité à partir d'un mouvement, il utilise un courant électrique pour créer des forces magnétiques capables de mettre un rotor en rotation.
Les moteurs électriques sont présents dans les appareils électroménagers, les ascenseurs, les ventilateurs, les pompes, les robots, les véhicules électriques et les machines industrielles.
Les générateurs électriques
Le terme générateur électrique désigne tout appareil capable de transformer une autre forme d'énergie en énergie électrique.
Les générateurs électromagnétiques utilisent tous le principe de l'induction. Selon leur source d'énergie, ils peuvent être entraînés par une turbine hydraulique, une éolienne, une machine à vapeur, un moteur thermique ou toute autre source de mouvement.
Le frein magnétique
Le frein magnétique utilise les courants induits pour ralentir un objet en mouvement sans contact mécanique.
Lorsqu'un disque métallique se déplace dans un champ magnétique, des courants induits apparaissent à l'intérieur du métal. Selon la loi de Lenz, ces courants créent un champ magnétique qui s'oppose au mouvement, ce qui produit un freinage progressif.
Les freins magnétiques sont utilisés dans certains trains, montagnes russes, ascenseurs, appareils de musculation et instruments de mesure. Comme aucun frottement mécanique n'intervient, ils s'usent très peu et permettent un freinage particulièrement régulier.