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 transformateurs
Le transformateur est un appareil électrique capable de modifier la tension d'un courant alternatif. Selon sa conception, il peut augmenter ou diminuer la tension sans produire lui-même d'électricité. Il fonctionne grâce au phénomène d'induction électromagnétique.
Les transformateurs sont indispensables au transport de l'électricité et à l'alimentation de nombreux appareils. On les trouve aussi bien dans les centrales électriques que dans les chargeurs de téléphones, les alimentations d'ordinateurs ou certains appareils électroniques.
La constitution d'un transformateur
Un transformateur est constitué de deux bobines enroulées autour d'un même noyau magnétique, généralement réalisé en tôles d'acier afin de concentrer le champ magnétique tout en limitant les pertes d'énergie.
La bobine reliée à la source d'alimentation est appelée enroulement primaire. Celle qui fournit la tension de sortie est appelée enroulement secondaire.
Les deux enroulements sont électriquement isolés l'un de l'autre. L'énergie est transmise uniquement par le champ magnétique créé dans le noyau.
Le principe de fonctionnement
Lorsque le courant alternatif traverse l'enroulement primaire, son intensité varie continuellement. Cette variation crée un champ magnétique lui aussi variable dans le noyau.
Ce champ magnétique traverse ensuite l'enroulement secondaire et y induit une tension. Aucun contact électrique direct n'existe entre les deux bobines : seule l'énergie est transmise.
Par exemple, lorsqu'un chargeur est branché sur le secteur, le transformateur abaisse la tension avant qu'elle soit redressée et régulée pour alimenter l'appareil.
Le rapport de transformation
La tension obtenue au secondaire dépend principalement du nombre de spires des deux enroulements.
Us / Up = Ns / Np
où Up est la tension du primaire, Us la tension du secondaire, Np le nombre de spires du primaire et Ns celui du secondaire.
Si le secondaire possède deux fois plus de spires que le primaire, la tension de sortie est environ deux fois plus élevée. À l'inverse, s'il possède deux fois moins de spires, la tension est divisée par deux.
Les transformateurs élévateurs
Un transformateur élévateur possède davantage de spires au secondaire qu'au primaire. Il fournit donc une tension plus élevée que celle appliquée à l'entrée.
À la sortie des centrales électriques, de puissants transformateurs élèvent la tension à plusieurs centaines de milliers de volts afin de réduire les pertes lors du transport de l'électricité sur de longues distances.
Les transformateurs abaisseurs
Un transformateur abaisseur possède moins de spires au secondaire qu'au primaire. Il réduit la tension afin de l'adapter aux appareils électriques.
Près des habitations, plusieurs transformateurs abaissent progressivement la tension du réseau jusqu'à environ 230 V pour alimenter les installations domestiques.
La puissance et le rendement
Dans un transformateur idéal, la puissance électrique reste pratiquement la même entre l'entrée et la sortie.
P = U × I
Lorsque la tension augmente, le courant diminue. Inversement, lorsque la tension diminue, le courant augmente. Cette propriété permet de transporter l'électricité avec un courant plus faible, ce qui limite l'échauffement des lignes électriques.
En pratique, une petite partie de l'énergie est perdue sous forme de chaleur dans les enroulements et dans le noyau magnétique. Les transformateurs modernes possèdent toutefois un rendement très élevé, souvent supérieur à 95 %.
Les différents types de transformateurs
Les transformateurs de puissance
Ils sont utilisés dans les réseaux électriques pour le transport et la distribution de l'énergie.
Les transformateurs d'alimentation
Ils fournissent une tension adaptée aux appareils électriques et électroniques, comme certains chargeurs, alimentations ou équipements industriels.
Les transformateurs d'isolement
Les transformateurs d'isolement possèdent généralement le même nombre de spires au primaire et au secondaire. Leur rôle principal n'est pas de modifier la tension mais d'assurer une isolation électrique entre deux circuits afin d'améliorer la sécurité ou de réduire certaines perturbations.
Les autotransformateurs
Un autotransformateur utilise un seul enroulement comportant plusieurs prises intermédiaires. Il est plus compact qu'un transformateur classique mais n'assure pas d'isolation électrique entre l'entrée et la sortie.
Les limites des transformateurs
Les transformateurs classiques fonctionnent uniquement avec un courant alternatif. Un courant continu produit un champ magnétique constant qui ne permet plus d'induire une tension dans le secondaire.
Pour modifier une tension continue, les alimentations modernes la transforment d'abord en courant alternatif de haute fréquence avant de l'envoyer dans un transformateur spécialement conçu pour cet usage.
Les applications des transformateurs
Les transformateurs sont présents dans les réseaux électriques, les postes de distribution, les alimentations électroniques, les appareils médicaux, les équipements industriels, les systèmes audio, les chargeurs de batteries et de nombreux appareils domestiques.
Ils permettent d'adapter la tension aux besoins des différents équipements tout en assurant un transport efficace et sécurisé de l'énergie électrique.