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
La production et le transport de l'électricité
L'électricité est une énergie secondaire : elle n'existe pas directement dans la nature en quantité exploitable. Elle est produite en transformant d'autres formes d'énergie, comme l'énergie de l'eau, du vent, de la chaleur, du Soleil ou des réactions nucléaires.
Quelle que soit son origine, l'électricité doit ensuite être transportée sur de longues distances, distribuée jusqu'aux habitations puis adaptée à la tension utilisée par les appareils électriques.
La production de l'électricité
Grâce à l'induction électromagnétique, l'alternateur transforme l'énergie mécanique en énergie électrique.
Seules certaines technologies, comme les panneaux photovoltaïques, produisent directement de l'électricité sans faire tourner de turbine.
Les centrales hydrauliques
Les centrales hydrauliques utilisent l'énergie de l'eau en mouvement.
Dans une centrale de barrage, l'eau est stockée en altitude derrière une retenue. Lorsqu'elle est libérée, elle s'engouffre dans des conduites forcées et fait tourner les turbines avant de rejoindre la rivière située en contrebas.
Les centrales au fil de l'eau utilisent directement le courant des fleuves sans constituer d'importantes réserves d'eau.
L'énergie hydraulique présente un excellent rendement et ne produit pratiquement pas de gaz à effet de serre pendant son fonctionnement. En revanche, la construction des barrages modifie les paysages, les écosystèmes et le cours naturel des rivières.
Les centrales thermiques
Les centrales thermiques produisent de l'électricité à partir de chaleur.
Cette chaleur est généralement obtenue par la combustion de charbon, de gaz naturel, de fioul ou de biomasse. Elle transforme de l'eau en vapeur sous pression, qui entraîne ensuite une turbine reliée à un alternateur.
Les centrales utilisant des combustibles fossiles sont relativement simples à construire et peuvent produire de l'électricité en continu, mais elles rejettent du dioxyde de carbone ainsi que d'autres polluants atmosphériques.
Les centrales nucléaires
Les centrales nucléaires utilisent la chaleur dégagée par la fission nucléaire de certains atomes, principalement l'uranium.
Dans le réacteur, cette chaleur transforme l'eau en vapeur. Celle-ci entraîne une turbine couplée à un alternateur qui produit l'électricité.
Les grandes tours visibles à proximité de nombreuses centrales sont des tours de refroidissement. Elles rejettent principalement de la vapeur d'eau qui a servi à refroidir le circuit de production.
Les centrales nucléaires produisent de très grandes quantités d'électricité avec peu d'émissions directes de dioxyde de carbone. Elles nécessitent cependant des installations très sécurisées et produisent des déchets radioactifs qui doivent être stockés pendant de longues périodes.
Les éoliennes
Les éoliennes transforment directement l'énergie cinétique du vent en énergie mécanique.
Le vent fait tourner les pales, qui entraînent un alternateur situé dans la nacelle. Celui-ci produit un courant électrique alternatif envoyé vers le réseau.
La quantité d'électricité produite dépend de la vitesse du vent. En l'absence de vent, une éolienne ne produit pratiquement pas d'électricité.
Les panneaux photovoltaïques
Les panneaux photovoltaïques convertissent directement la lumière du Soleil en électricité grâce à l'effet photovoltaïque.
Chaque cellule photovoltaïque est constituée de matériaux semi-conducteurs, le plus souvent du silicium. Lorsque la lumière atteint ces matériaux, elle libère des charges électriques qui créent un courant continu.
Un onduleur transforme ensuite ce courant continu en courant alternatif compatible avec le réseau électrique.
Les panneaux photovoltaïques sont installés sur les toitures, les parkings, les bâtiments industriels ou dans de vastes centrales solaires.
La géothermie
La géothermie exploite la chaleur naturelle provenant de l'intérieur de la Terre.
Dans certaines régions, cette chaleur permet de produire de la vapeur capable d'entraîner directement une turbine. Dans d'autres installations, elle est utilisée pour chauffer un fluide qui transmet ensuite son énergie à un circuit de production d'électricité.
La géothermie fournit une énergie régulière, indépendante des conditions météorologiques, mais son exploitation dépend fortement des caractéristiques géologiques locales.
L'énergie des marées
Les marées sont provoquées par l'attraction gravitationnelle de la Lune et du Soleil.
Certaines centrales marémotrices utilisent la montée et la descente du niveau de la mer pour faire circuler l'eau à travers des turbines reliées à des alternateurs.
D'autres technologies exploitent les courants marins ou le mouvement des vagues afin de produire de l'électricité.
Ces énergies sont renouvelables, mais les sites favorables restent relativement peu nombreux.
Le transport à haute tension
L'électricité produite dans les centrales doit souvent parcourir plusieurs centaines de kilomètres avant d'être consommée.
Pour limiter les pertes par effet Joule, elle est transportée sous une très haute tension, pouvant atteindre plusieurs centaines de milliers de volts.
À puissance égale, une tension plus élevée permet de réduire fortement l'intensité du courant. Comme les pertes dans les lignes augmentent avec le carré de l'intensité, cette solution améliore considérablement le rendement du transport.
Les transformateurs
Les transformateurs permettent d'adapter la tension aux différentes étapes du réseau électrique.
Ces transformations sont possibles grâce à l'induction électromagnétique entre les bobines primaire et secondaire du transformateur.
La distribution de l'électricité
Après avoir quitté les lignes à haute tension, l'électricité est répartie sur un vaste réseau de distribution.
Des postes de transformation alimentent successivement les réseaux régionaux, les réseaux locaux puis les quartiers et les habitations.
Le réseau domestique
Dans les habitations, l'électricité est généralement distribuée sous une tension d'environ 230 V en courant alternatif.
Le tableau électrique répartit l'alimentation entre les différents circuits de la maison. Chaque circuit est protégé par un disjoncteur, qui coupe automatiquement le courant en cas de surcharge ou de court-circuit.
Les prises électriques comportent généralement trois conducteurs : la phase, le neutre et la terre. Le conducteur de terre permet d'évacuer les courants de défaut et contribue à la protection des personnes contre les risques d'électrocution.
Les appareils les plus puissants, comme les fours, les plaques de cuisson, les chauffe-eau ou les pompes à chaleur, disposent souvent de circuits dédiés capables de supporter une intensité plus importante.