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
Les piles, batteries et accumulateurs
Les piles et les batteries permettent d'alimenter des appareils électriques sans être reliés au réseau électrique. Elles convertissent l'énergie chimique stockée dans leurs matériaux en énergie électrique grâce à des réactions électrochimiques. Elles fournissent ainsi une tension capable de mettre les charges électriques en mouvement dans un circuit.
On retrouve ces générateurs dans les télécommandes, les montres, les téléphones, les ordinateurs portables, les véhicules électriques, les appareils médicaux et de nombreux objets du quotidien.
Les réactions chimiques
À l'intérieur d'une pile ou d'un accumulateur se trouvent deux électrodes de nature différente plongées dans un milieu conducteur appelé électrolyte.
Lorsque le circuit est fermé, une réaction chimique provoque un déplacement des électrons entre les deux électrodes. Les électrons circulent alors dans le circuit extérieur tandis que des ions se déplacent à l'intérieur de l'électrolyte afin de maintenir l'équilibre électrique.
L'électrode qui libère les électrons constitue la borne négative, tandis que celle qui les reçoit constitue la borne positive.
Tant que les substances chimiques ne sont pas entièrement consommées, la réaction continue et la pile fournit de l'électricité.
Les piles
Une pile est un générateur électrochimique dont les réactions chimiques ne sont pas réversibles dans des conditions normales d'utilisation.
Lorsque les réactifs sont épuisés, la pile cesse de produire de l'électricité et doit être remplacée.
Les piles les plus courantes sont les piles alcalines, les piles salines, les piles au lithium et les piles bouton utilisées dans les montres, les calculatrices ou les appareils auditifs.
Le sens conventionnel du courant va de la borne positive vers la borne négative, tandis que les électrons circulent dans le sens opposé.
Les batteries
Une batterie est un assemblage de plusieurs cellules électrochimiques reliées entre elles afin d'obtenir la tension ou la capacité souhaitée.
Selon les besoins, les cellules peuvent être montées en série pour augmenter la tension ou en parallèle pour augmenter la capacité disponible.
Par exemple, une batterie automobile de 12 V est constituée de plusieurs cellules montées en série. Les batteries des ordinateurs portables ou des véhicules électriques contiennent parfois plusieurs centaines, voire plusieurs milliers de cellules.
Les accumulateurs
Un accumulateur est une cellule électrochimique rechargeable.
Contrairement à une pile classique, les réactions chimiques peuvent être inversées en lui fournissant de l'énergie électrique. Les substances chimiques retrouvent alors leur état initial et l'accumulateur peut être utilisé de nouveau.
Les accumulateurs sont employés dans les téléphones, les appareils photo, les outils sans fil, les vélos électriques, les voitures électriques et de nombreux systèmes de secours.
La recharge
La recharge consiste à faire circuler un courant électrique dans le sens opposé à celui de la décharge.
Cette opération reconstitue progressivement les réactifs chimiques à l'intérieur de l'accumulateur.
La durée de recharge dépend de la capacité de l'accumulateur, de la puissance du chargeur et des limites imposées pour éviter une surchauffe ou une dégradation prématurée.
Les chargeurs modernes surveillent en permanence la tension, le courant et parfois la température afin d'adapter automatiquement la recharge et de protéger les cellules.
La capacité
La capacité d'une pile ou d'un accumulateur représente la quantité totale de charge électrique qu'il peut fournir avant d'être complètement déchargé.
Elle s'exprime généralement en ampères-heures (Ah) ou, pour les petites batteries, en milliampères-heures (mAh).
Une batterie de 5 Ah peut théoriquement fournir un courant de 5 A pendant une heure, 1 A pendant cinq heures ou toute autre combinaison équivalente. En pratique, la durée réelle dépend également de la température, du vieillissement et des conditions d'utilisation.
La tension nominale
La tension nominale est la tension pour laquelle une pile ou un accumulateur est conçu.
Une pile alcaline fournit généralement 1,5 V, tandis qu'un accumulateur rechargeable au nickel-métal hydrure délivre environ 1,2 V. Une cellule lithium-ion fournit environ 3,6 à 3,7 V.
Lorsque plusieurs cellules sont montées en série, leurs tensions s'additionnent. C'est ainsi qu'une batterie de véhicule électrique peut atteindre plusieurs centaines de volts.
Au cours de la décharge, la tension diminue progressivement jusqu'à atteindre une valeur minimale au-delà de laquelle il devient nécessaire de recharger ou de remplacer la batterie.
Les batteries lithium-ion
Les batteries lithium-ion sont aujourd'hui les plus utilisées dans les appareils électroniques portables et les véhicules électriques.
Elles offrent une forte densité d'énergie, une masse relativement faible, une faible autodécharge et un grand nombre de cycles de recharge.
Pendant la charge et la décharge, les ions lithium se déplacent d'une électrode à l'autre à travers l'électrolyte, tandis que les électrons circulent dans le circuit extérieur.
Ces batteries nécessitent une électronique de protection capable de surveiller la tension, le courant et la température afin d'éviter les surcharges, les décharges profondes ou les échauffements excessifs pouvant les endommager.
Les téléphones portables, les ordinateurs, les drones, les outils électroportatifs, les vélos électriques et les voitures électriques utilisent presque tous cette technologie.
Les supercondensateurs
Les supercondensateurs constituent une technologie intermédiaire entre les condensateurs classiques et les accumulateurs.
Contrairement aux batteries, ils ne stockent pas principalement l'énergie grâce à une réaction chimique, mais par accumulation de charges électriques sur des électrodes possédant une très grande surface.
Ils peuvent être chargés et déchargés en quelques secondes seulement, supporter plusieurs centaines de milliers de cycles et fournir de très fortes puissances pendant une courte durée.
En revanche, leur capacité de stockage d'énergie reste beaucoup plus faible que celle des batteries lithium-ion. Ils sont donc souvent associés à ces dernières afin de fournir rapidement des pics de puissance lors du démarrage d'un moteur, du freinage régénératif, de systèmes de secours ou de certaines installations industrielles.