1. STRUCTURE DE LA MATIÈRE
La nature et l'origine de l'électricité résident même dans l'organisation interne de la matière. C'est la raison pour laquelle une brève étude de la structure de la matière s'avère nécessaire.
1.1. Forme de la matière
La matière se présente sous deux formes d'existence : substance et champs. La substance est concrète, pendentif palpable que le champ n'est pas détectable avec les sens humains. Les champs se manifestent par les forces qui lui sont spécifiques.
Les substances peuvent être simples (élémentaires) ou tout simplement éléments composées. Dans la structure des substances composées on retrouve des éléments associés sous des divers rapports.
Les éléments peuvent être décomposés jusqu'au niveau des atomes. Les atomes ont une structure particulière et caractéristique pour chaque élément. Lorsque l'on subdiviser sur modifier la nature de l'élément. L'atome représente la plus petite particule qui conserve les propriétés d'origine d'un élément.
Les atomes s'associent d'après les mécanismes spécifiques et engendrent les molécules. La molécule est la plus petite particule à la base de la constitution d'une substance composée qui conserve les propriétés d'origine de celle-ci. Une molécule est un groupement d'au moins deux atomes, mais on a synthétisé des substances dont les molécules contiennent des milliers d'atomes.
Exemples : La molécule d'eau est formée de 2 atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène ; la molécule d'ozone est composée de 3 atomes d'oxygène. Enfin la molécule de caoutchouc contient une chaîne d'au moins 5000 mille atomes de carbone et 8000 mille atomes d'hydrogène.
Les atomes et les molécules s'attirent avec des forces pareilles à la force gravitationnelle; ces forces augmentent à mesure que les molécules se rapprochent et déterminant la forme sous laquelle se présente la substance : de gaz, de solide ou de liquide.
Les solides ont les atomes très rapprochés les uns des autres. pas force d'attraction sont intenses, ce qui détermine leur rigidité connue et empêche tout déplacement d'atome dans sa structure. Les molécules constituant les gaz sont espace relatif. Ainsi les forces d'attraction sont négligeables, ce qui permet
leur mouvement indépendant.
L'état liquide correspondance à une situation intermédiaire à ceux-ci dévoilés auparavant.
1.3. Structure de l'atome
L'atome est constitué par un noyau très petit et lourd portant une charge positive (+) autour tournent à grande vitesse les electrons porteurs de charges négatifs (-). Ceux-ci gravitent sur des orbites occupant des canapés concentriques. La charge totale des électrons neutralisent la charge positive du
noyau. Dans son ensemble l'atome est neutre du point de vue électrique.
Entre le noyau (+) et les électrons (-) s'exercent des forces d'attraction d'autant plus grandes que les électrons sont prés du noyau.
Le noyau est composé de 2 sortes de particules : les protons et les neutrons. Les protons sont des particules possédant une charge positive de valeur absolue égale à la charge négative de l’électron. Les neutrons ne possèdent pas de charge électrique.
La masse du proton est à peu près égale à celle du neutron et environ 1840 fois plus grande que celle de l’électron.
Le nombre de protons est égal à celui d’électrons et caractéristique pour chacun des 110 éléments identifiés dans l’univers.
Un atome peut perdre ou accepter un ou plusieurs électrons ; ainsi il n’est plus en état neutre du point de vue électrique, et on l’appelle ion. Un ion positif est un atome qui a perdu d’électrons et un ion négative est un atome qui a accepté d’électrons.
Les électrons sont répartis en couches concentriques. Ceux appartenant à la couche extérieure s’appellent électrons de valence. Ils sont moins attirés par le noyau et ils peuvent quitter leur atome pour circuler dans l’espace libre autour des atomes. Ils deviennent des électrons libres. Leur vitesse est très grande (1000km /s) et leur mouvement très désordonné, mais ils ne quittent pas la structure à laquelle ils appartiennent et celle-ci reste neutre.
Le déplacement d'électrons de manière ordonnée constitue le courant électrique.
Les électrons de valence jouent un rôle très important dans le courant électrique. Pour un élément avec de bonnes propriétés électriques comme l’aluminium le nombre d’électrons de valence est 3.
1.4. Classification des corps
Du point de vue électrique les corps se classent en 3 catégories : conducteurs, isolants et semi-conducteurs.
Les conducteurs opposent une faible résistance au passage du courant électrique. Ce sont les éléments qui possèdent au maximum 3 électrons de valence qui se déplacent facilement dans leur structure et une concentration élevée d’électrons libres. Tous les métaux sont des conducteurs, l’aluminium et le cuivre étant les plus utilisés.
Par contre les isolants sont des matériaux qui ne permettent pas le passage du courant. Le papier, le bois, le caoutchouc, le plastique, le verre, la porcelaine sont des exemples de matériaux utilisés comme isolants en électrotechnique. Les isolants sont d’habitude des substances composées qui ne permettent pas l’apparition des électrons libres, contrairement aux conducteurs qui sont des
éléments purs.
Les semi-conducteurs présentent une situation intermédiaire entre les conducteurs et les isolants. Ces éléments se caractérisent par 4 électrons de valence ; leur concentration d’électrons libres dépende de la température. Le germanium et le silicium sont les semi-conducteurs les plus utilisés. En outre les
semi-conducteurs ont déterminé un développement spectaculaire de l’électronique car ils servent à la réalisation des composants comme : diodes, transistors, circuits intégrés.
2. MÉTHODES DE PRODUCTION D'ÉLECTRICITÉ
Les phénomènes électriques sont produits par la charge électrique. En fonction de l’état cinétique de la charge, on identifie deux domaines distincts de l’électricité : statique et dynamique.
2.1. Electricité statique
L’électricité statique étudie les phénomènes électriques concernant la charge électrique en état de repos sur les objets.Un corps se charge d'électricité lorsque déséquilibre apparaît entre le nombre d’électrons et de protons qu’il possède. Ce déséquilibre se produit au niveau atomique, mais il est mis en évidence sur le corps. Un corps chargé présente soit un surplus soit un déficit d’électrons et le processus suivant auquel il arrive en cet état s’appelle électrisation.
2.1.1. Charge électrique
Les corps peuvent être chargés négativement ou positivement d’après le surplus ou le déficit d’électrons acquis. La charge électrique s’exprime en coulombs et son symbole est C. Un coulomb représente la charge cumulée de 6,25 x 1018 électrons.
La charge de l’électron vaut –1,6 x 10-19 C. De même toute charge électrique est un multiple entier de la charge élémentaire de l’électron qui est la plus petite charge identifiée dans l’univers.
2.1.2. Loi de Coulomb
L’existence des charges électriques a été mise en évidence à travers les forces spécifiques qui s’exercent entre celles-ci. Ces forces ont été étudiées par Charles-Auguste Coulomb et les résultats de ces expériences ont été synthétisés par la loi qui porte son nom. L’équation de cette loi est la suivante :
où on a :
F = la force d’attraction ou de répulsion exercée entre les deux charges
ponctuelles en Newton.
Q1 = la première charge en Coulomb.
Q 2 = la deuxième charge en Coulomb.
d = la distance séparant les deux charges en mètres.
k = constante de proportionnalité qui dépend des propriétés électriques du
milieu où se trouvent les charges.
Les forces de répulsion s’exercent entre charges de même polarité pendant que les forces d’attraction s’exercent sur les charges de polarité opposée. L’orientation des forces colombiennes est donnée par la droite des 2 corps ponctuels.
2.1.3. Potentiel
La charge électrique modifie les propriétés de son environnement de manière qu’elle exerce des forces de nature électrique sur toute autre charge qui y serait placée. Ces forces peuvent déplacer cette autre charge tout en effectuant un travail mécanique. On introduit une grandeur physique appelée potentiel électrique afin de caractériser le champ électrique dans un point de la manière suivante. Soit une
charge électrique ponctuelle et fixe dans l’espace. Le potentiel électrique dans un point est le rapport entre le travail mécanique effectué pour déplacer une autre charge q du point considéré jusqu'à l’infini et la valeur de cette deuxième charge.
L’expression mathématique du potentiel électrique est :
W = le travail mécanique des forces électriques pour déplacer la charge q
du point A à l’infini.
Le potentiel électrique est exprimé en Volts.
Une autre grandeur que nous rencontrerons très souvent c’est la tension électrique. Par définition la tension entre deux points est la différence des potentiels électriques correspondant aux deux points.
La tension électrique est appelée aussi différence de potentiel (d.d.p.) par des raisons évidentes ou encore force électromotrice (f.é.m.).
La relation mathématique de la tension est :
VA = le potentiel dans le point A
VB = le potentiel dans le point B
L’unité de mesure de la tension est la même que celle du potentiel, le Volt.
2.1.4. Production de l'électricité statique
- Électrisation par frottement
Suite à leur frottement, deux matières non-conductrices deviennent chargées: une positivement pour avoir perdu des électrons et l’autre négativement pour avoir récupéré ces électrons au cours du processus.
C'est le cas d’une baguette de verre frottée d’un morceau de soie ou de flanelle. En plus la polarité des charges produites dépend des matériaux.
- Électrisation par contact
Lorsqu'un corps chargé est mis en contact avec un autre qui ne l’est pas on constate que ce deuxième corps lui aussi se charge suite à un transfert de charge provenue du premier. La polarité des deux corps chargés suite à leur contact est la même.
- Électrisation par influence
Lorsqu'un place dans la proximité d’un corps chargé un autre qui ne l’est pas (sans qu’ils se touchent), on constate l’électrisation du corps neutre. Mais une fois le corps chargé éloigné, l’autre redevient neutre. On dit que le corps neutre s’est électrisé par influence. Sa charge est de polarité opposée à celle du corps déjà chargé. En fait l’électrisation par influence n’est pas due à un transfert de charge, mais plutôt à une concentration de charge de polarité opposée dans la zone située en face du corps chargé. L’électrisation par influence d’un corps ne dure que pendant le temps où il se trouve sous l’influence du corps chargé.
2.2. Electricité dynamique
L'électricité dynamique étudie les phénomènes concernant le déplacement de charges électriques dans un conducteur.
2.2.1. Courant électrique
Dans le cas des conducteurs les électrons de valence sont assez éloignés par rapport au noyau de l’atome auquel ils appartiennent afin que les forces d’attraction qui s’exercent sur eux soient négligeables.
Lorsque le conducteur est soumis à une action externe qui se manifeste par des forces exercées sur les électrons dans un sens bien déterminé, ceux-ci acquièrent un déplacement ordonné qui détermine un transport de charges électriques.
Ce déplacement ordonné d'électrons à travers un corps conducteur défini le courant électrique.
La grandeur qui caractérise le courant électrique s’appelle l’intensité. L’intensité est exprimée par le rapport entre la charge transportée par le courant à travers une section transversale du conducteur durant un certain temps et la valeur de cette période de temps.
La relation mathématique de l'intensité est :
Q = la charge transportée dans la période t par une section transversale du conducteur
L'intensité est exprimée en ampères (symbole A) et son instrument de mesure est l’ampèremètre.
L’apparition du courant électrique est liée à l’existence des forces (dans la plupart des cas électriques) qui s’exercent sur les électrons. Ces forces peuvent apparaître lorsqu'on réalise entre les extrémités du conducteur une différence de potentiel, autrement dit, si on applique une tension aux extrémités du conducteur.
2.2.2. Sens du courant électrique
Le sens conventionnel correspond au déplacement des charges positives, donc du pôle positif (+) au pôle négatif (-). Dans les gaz et les liquides on trouve des porteurs de charges positifs ayant en effet ce déplacement. Dans le cas des conducteurs les seuls porteurs de charge sont les électrons. Leur déplacement se fait dans le sens contraire au sens conventionnel.
Le sens électronique c’est le sens réel de déplacement des électrons, du pôle négatif (-) vers le pôle positif (+).
2.2.3. Magnétisme et électromagnétisme
Certains corps ont la propriété d’attirer le fer. On appelle cette propriété magnétisme et les corps, qui possèdent cette propriété, aimants naturels.
Il est possible de transférer cette propriété à des barres d’acier suite à un traitement spécial. On obtient ainsi des aimants artificiels. Ils sont temporaires ou permanents. On leur donne des formes diverses : barreau droit, barreau en fer de cheval, aiguille plate.
Un aimant produit l’orientation d’une aiguille magnétique lui aussi présentant deux pôles différents : un pôle nord et un pôle sud.
Entre les aimants exercent des forces de nature magnétique. Les pôles semblables de deux aimants se repoussent, les pôles contraires s’attirent.
On appelle électroaimant l’ensemble formé d’une bobine placée sur un noyau ferromagnétique. Lorsque le courant électrique circule dans la bobine, l’électroaimant présente un champ magnétique et exerce les forces magnétiques spécifiques.
On appelle champ magnétique la région de l'espace où un aimant exerce ces forces sur des objets de fer.
Lorsqu'on place de la limaille de fer sur une feuille de papier placée sur un barreau aimanté, on constate que les grains de limaille se disposent de façon régulière en formant un certain nombre de lignes courbes.
Ces chemins fermés s'appellent lignes de force ou lignes de flux. L’ensemble des lignes de force représente le spectre magnétique.
On remarque les propriétés suivantes pour les lignes de forces :
- Les lignes partent toujours d’un pôle nord et aboutissent à un pôle sud.
- Les lignes de force ne se croisent jamais.
- Les lignes de forces tendent à suivre le chemin le plus court et le plus facile.
2.3. Production de l'électricité
L’énergie électrique se distingue des autres formes d’énergie par la facilité de la transporter, de lui modifier les paramètres (tension, courant) aussi que par l’impossibilité de la stocker ce qui exige l’ajustement de la production à la consommation.
Les appareils servant à la production de l’énergie électrique s’appellent générateurs électriques. Un générateur électrique transforme une énergie d’un certain type (chimique, mécanique) en énergie électrique. Parmi les générateurs électriques on peut citer les piles, les accumulateurs, les alternateurs, etc.
2.3.1. Méthode chimique
Cette méthode de production de l'énergie électrique est utilisée dans le cas des piles et des accumulateurs.
Une pile est réalisée à l’aide de deux métaux différents appelés électrodes, plongés dans une solution acide appelée électrolyte. L’action chimique de l’électrolyte sur les électrodes engendre un pôle positif et un pôle négatif et une différence de potentiel entre ceux-ci. La valeur de cette différence de potentiel varie entre 1 V et 2,5 V en fonction des métaux et de l’électrolyte utilisé.
2.3.2. Méthode électromagnétique
C’est la méthode industrielle de production de l'énergie électrique, utilisée dans les machines tournantes telles que les alternateurs et les dynamos. L’énergie mécanique est ainsi transformée en énergie électrique par l'intermédiaire de l’induction électromagnétique. Cette méthode sera présentée en détaille dans un chapitre ultérieur.
2.3.3. Méthode thermique
Cette méthode réalise la transformation de l’énergie thermique en énergie électrique en utilisant deux métaux différents ayant un point de jonction. Lorsque le point de jonction est chauffé, entre les extrémités libres des métaux apparaît une différence de potentiel de valeur faible (de l’ordre des millivolts) et proportionnelle à la température du point de jonction.
L’ensemble des deux métaux à un point de jonction qui transforme les variations de la température en variation de la tension s’appelle thermocouple. Parmi ses applications on trouve la mesure des températures élevées.
2.3.4. Méthode photoélectrique
Cette méthode consiste en transformation de l’énergie lumineuse en énergie électrique. Elle est due à la propriété de certains métaux d’acquérir une différence de potentiel entre deux surfaces lorsqu'ils sont soumis à l’action de la lumière. Cette différence de potentiel engendre un déplacement de ses électrons.
La photopile c’est l’application la plus connue de cette méthode. La tension produite par la photopile est faible, mais suite à un groupement de plusieurs unités on obtient une puissance suffisante.
2.3.5. Méthode piézoélectrique
Lorsqu'on soumet le quartz à des compressions et des tractions successives on constate l’apparition d’une différence de potentiel entre ses deux faces. Ce phénomène retrouve d’importantes applications parmi lesquelles on doit citer les balanciers électroniques, les microphones à cristal ou la production et la détection des ultrasons.
2.4. Types de courant électrique
Le courant électrique représente le déplacement ordonné des porteurs de charges (les électrons dans le cas des conducteurs). La manière d’après laquelle ce déplacement se produit détermine le type du courant.
Les principaux types de courant sont : le courant continu, le courant alternatif et le courant pulsatif.
2.4.1. Courant continu
C’est un courant de valeur et de sens demeurant constants. Les piles et les accumulateurs sont les principales sources de courant continu. La représentation graphique d’un courant continu est montrée sur la fig.2 - 1.
2.4.2. Courant alternatif
C’est un courant dont la valeur et le sens changent périodiquement. Il passe d’une valeur maximale positive à une valeur négative maximale tout en passant par le zéro. Puis il retourne à zéro et à sa valeur positive maximale et le cycle recommencent.
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