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Qu'est-ce que l'électricité?
L'électricité est une forme d'énergie qui se manifeste lorsqu'il y a circulation
d'électrons à l'intérieur d'un corps conducteur,
ou encore à l'occasion de certains phénomènes naturels
(foudre...).
Pour mémoire: un atome est composé de protons (charges
positives) et de neutrons (électriquement neutres), qui
forment le noyau, et d'électrons (charges négatives), qui
gravitent autour du noyau sur des "orbites"
concentriques, correspondant à différents niveaux
d'énergie.
Certains corps, en
particulier les métaux, sont de très bons conducteurs (l'argent, le cuivre, l'aluminium...). Ces corps possèdent des
électrons qui peuvent facilement se libérer de l'attraction du
noyau de l'atome et se déplacer, de proche en proche, vers
d'autres atomes.
A l'inverse, d'autres corps
sont de très mauvais conducteurs de l'électricité: on dit que
ce sont des isolants (diamant, céramique,
plastique...).
On observera que les
matériaux isolants sont tout aussi nécessaires que les
matériaux conducteurs dans les applications pratiques de
l'électricité ou de l'électronique, puisqu'ils permettent
d'une part de canaliser les flux d'électrons, et d'autre
part d'assurer la protection des utilisateurs.
Sous l'influence d'une force
électromotrice (produite, par exemple, par une
électrode de cuivre et une électrode de zinc immergées dans
une solution d'acide sulfurique), une charge électrique va
circuler dans un fil de cuivre car les électrons du cuivre se
déplaceront d'atome en atome. Ce flux d'électrons est appelé courant
électrique.
La conduction se définit comme la circulation d'un courant électrique
dans le matériau soumis à un champ électrique extérieur.
Ce courant est dû au déplacement de charges électriques
dans le matériau.
Le courant électrique traverse la solution
d'eau (H2O) et de sel de table (NaCl), appelée électrolyte:
pour preuve, la lampe s'allume (un peu!). Le chlorure de
sodium se décompose, sous l'effet du courant électrique, en
sodium à la cathode et en chlore à l'anode. Contrairement
à une idée répandue, l'eau pure n'est pas un très bon
conducteur, mais l'ajout du sel améliore grandement la
conduction.
Un circuit électrique très simple
L'utilisation de l'énergie
électrique afin de produire un travail nécessite la
réalisation de ce qu'on appelle un circuit électrique.
Le plus simple des circuits électriques est sans doute celui
constitué par une lampe de poche, bien connue de tous.
Une lampe de poche comporte
les éléments suivants:
- une ou plusieurs piles,
qui fournissent l'énergie
- une ampoule, qui
transforme l'énergie en lumière
- un interrupteur
"M/A", pour "allumer" ou
"éteindre" la lampe de poche
- des contacts, pour
relier les piles à l'ampoule via l'interrupteur
Tous ces éléments sont
réunis dans un boîtier, qui les protège des chocs, de la
poussière, de l'humidité, etc.
La représentation
schématique de ce circuit est donnée ci-dessous. Pour réaliser
un schéma, on utilise des symboles
conventionnels.
Si on généralise à partir
de l'exemple de la lampe de poche, on peut dire qu'un circuit
électrique comprend toujours, au minimum:
- un générateur (ici:
les 2 piles en série)
- un ou plusieurs
récepteurs (l'ampoule)
- un ou plusieurs
interrupteurs
- des fils de liaison ou
des contacts
Les deux piles sont ici
branchées en série, ce qui signifie que le
pôle + de la seconde est en contact avec le pôle - de la
première. Si les deux pôles + étaient reliés ensemble et
les deux pôles - reliés ensemble, on dirait que les piles
sont en parallèle.
Qu'est-ce qu'un dipôle?
Un dipôle est un système comportant deux pôles de branchement dans lequel peut circuler un courant électrique. Une pile, une résistance sont des dipôles,
mais deux (ou trois...) résistances associées en série ou en
parallèle forment aussi un dipôle.
On a coutume de
classer les dipôles en deux catégories: les dipôles actifs et les dipôles passifs. Disons-le d'emblée,
cette classification ne présente, en réalité, guère
d'intérêt, d'autant qu'il y a toujours des exceptions...
D'une manière
générale, un dipôle est catalogué "passif" si on
branche ensemble deux dipôles identiques et qu'aucun courant
permanent ne passe, quel que soit le sens du branchement. Par
exemple: les résistances, les condensateurs...
Un dipôle
entre dans la catégorie des "actifs" si on le branche
sur une résistance et qu'un courant permanent circule. Par
exemple: une pile, une dynamo... Mais les diodes et les
transistors, composants semi-conducteurs, entrent aussi, par
dérogation, dans cette catégorie...
Qu'est-ce qu'un générateur?
On appelle générateur un dipôle capable de convertir en énergie électrique une autre
forme d'énergie: une pile, une photopile, une génératrice
(dynamo)... Un dipôle est un générateur lorqu'il
fournit de l'énergie.
La pile (cell,
en anglais) ou une batterie produisent de l'énergie
électrique à partir d'une réaction chimique (on parle de
générateur électrochimique). La photopile transforme
l'énergie rayonnante de la lumière en énergie électrique.
Le générateur est la source d'énergie électrique d'un
circuit.
Si la tension produite par
un générateur est invariable dans le temps (sa
caractéristique est une droite rectiligne), on parle de régime
continu.
Si la tension est variable,
donc alternative, de forme sinusoïdale, comme celle issue du
secteur EDF, on parle de régime alternatif, ou sinusoïdal.
Voici
l'allure d'une tension continue (en bleu) et d'une tension
alternative (en rouge), donc variable, tantôt positive
(au-dessus de l'axe X), tantôt négative (au-dessous de l'axe
X.)
Retenons pour
l'instant qu'il existe deux sortes de courant électrique:
-
le courant
continu, invariable, fourni par les piles,
batteries, alimentations...,
-
le courant
alternatif, variable, fourni par les dynamos,
les génératrices, le secteur...
Qu'est-ce qu'un récepteur?
On appelle récepteur tout dispositif convertissant de l'énergie électrique en une
autre forme d'énergie. Un dipôle est un récepteur
lorqu'il consomme de l'énergie.
Si le récepteur
convertit toute l'énergie électrique qu'il reçoit en
chaleur ou en rayonnement thermique, on dit qu'il s'agit d'un récepteur passif. S'il la convertit
autrement (en énergie lumineuse, par exemple), on dit qu'il
s'agit d'un récepteur actif. Une ampoule,
une DEL (Diode ElectroLuminescente), un petit moteur à
courant continu, sont des récepteurs actifs.
Lorsqu'un ou plusieurs
récepteurs, actifs ou passifs, sont alimentés par un ou
plusieurs générateurs, on a ce qu'on appelle un circuit
électrique.
Les principales grandeurs électriques
Nous sommes toujours en
présence, dans un circuit électrique quelconque, d'au moins quatre
grandeurs électriques:
- la tension,
exprimée en volts (V)
- l'intensité du courant, exprimée en ampères (A)
- la résistance,
exprimée en ohms (W)
- la puissance,
exprimée en watts (W), qui est le produit de la tension
et de l'intensité.
Pour mesurer
une grandeur électrique, on a recours à un appareil appelé multimètre,
qui regroupe, sous un même boîtier, un voltmètre, un
ampèremètre, un ohmmètre, etc. Il existe de très nombreux
modèles de multimètre, voici à quoi il peut ressembler:
Un
multimètre numérique, comme celui-ci, permet de mesurer une
tension continue ou alternative, une intensité, une résistance.
(1) La tension
Si on compare le flux
d'électrons à un liquide dans un circuit hydraulique, on dira
que la tension, ou différence de
potentiel (d.d.p.), correspond à une différence
de pression entre deux points du circuit fermé.
Ouvrez un robinet: si l'eau coule fort, on dit "qu'il y a de
la pression".
Supposons à présent que
les électrons soient des molécules d'air. Si vous gonflez un
pneu ou un canot pneumatique à l'aide d'une pompe à vélo,
l'opération sera réalisée d'autant plus vite que vous pomperez
énergiquement: plus vous refoulerez les molécules d'air à
cadence soutenue, plus la pression augmentera à l'intérieur du
pneu. Si vous relâchez votre effort, la pression diminuera...
La tension est donc
associée à une force: la force
électro-motrice (f.e.m.).
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Voici
comment on mesure une tension continue,
en l'occurence celle d'une pile, à l'aide de la fonction
"voltmètre" d'un multimètre.
Sous réserve de
respecter la polarité de la pile (ne pas confondre les
bornes "plus" et "moins"!) et de
choisir le calibre adéquat (ici: de 2 à 20 V), la
valeur de la tension est lue directement dans la fenêtre
de l'afficheur LCD.
Notez
qu'on mesure ici la tension "à vide" de la
pile, puisque celle-ci n'alimente aucun circuit
électrique. |
La tension (notée U ou E), que l'on peut assimiler à la différence
de potentiel (notée d.d.p.) entre deux
points A et B d'un circuit électrique, est une grandeur
algébrique: si elle est positive entre A et B,
elle est de même valeur, mais négative entre B et A.
Si on branche deux
générateurs en série, par exemple deux
piles de 1,5 V, on obtient une tension totale qui est la somme des tensions produites par chacun des générateurs, soit 3 V
dans notre exemple. On parle d'additivité des tensions.
D'une manière plus
générale, la tension aux bornes de deux récepteurs montés en série est la somme des tensions aux
bornes de chacun des deux récepteurs.
Le schéma
ci-dessous comporte deux piles de 4,5 V montées en
série et une résistance de 470 ohms qui est le
récepteur. Si on mesure les tensions par rapport à la masse
(référence 0 V), on relève une tension totale le 9 V, qui est
la somme de 4,5 V et 4,5 V.
A présent, notez bien la
différence, les piles sont montées en parallèle (les pôles "+" sont reliés entre eux, et les pôles
"-" sont reliés entre eux):
La tension
totale de ce circuit est de 4,5 V, soit la somme de V1 et V2
divisée par 2. Toutefois, ce dipôle pourra fournir un
courant deux fois plus important que si on n'avait qu'une seule
pile.
Sur le schéma,
une résistance très faible (0,01 ohm) est montée en série
avec chaque pile: elle représente la résistance interne de la pile.
En effet,
un générateur de tension n'étant jamais, dans la
réalité, "idéal", ou "parfait", on
doit le considérer comme l'association d'un générateur de
résistance interne nulle (donc idéal) et d'un conducteur ohmique de résistance très faible, mais
non-nulle. Ainsi, on tient compte du fait qu'une pile réelle
est affectée d'une résistance interne, qui provoque son
usure. La tension fournie devient donc égale à la force
électro-motrice (f.é.m.) du générateur, diminuée du
produit de sa résistance interne par l'intensité débitée.
Par conséquent, plus la pile est usée (sa résistance
interne a augmenté), plus la tension fournie diminue.
(2) L'intensité
L'intensité d'un courant électrique (notée i ou I) exprime l'importance du
flux de charges électriques qui traverse la section du
conducteur par unité de temps.
L'intensité du courant est
analogue au débit, en litres par
seconde, d'un liquide dans une canalisation, ou encore au nombre
de voitures circulant sur une route entre un point A et un point
B pendant un temps donné.
L'intensité se mesure en
ampères (A) ou en milli-ampères (mA).
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On veut
mesurer l'intensité du courant circulant dans ce circuit très simple, composé d'une
pile de 9 volts, d'une diode électroluminescente (DEL)
et de sa résistance de limitation du courant. (Les
composants "réels" ont été représentés à
côté de leur symbole sur le schéma.)
On utilise cette
fois la fonction "milli-ampèremètre" du
multimètre numérique.
Pour en
savoir plus sur l'utilisation du multimètre, consultez le chapitre qui lui est consacré. |
Les
deux lois de Kirchhoff, qui sont fondamentales, nous
apprennent que:
- l'intensité du
courant est la même en tous points d'un circuit bouclé
sans bifurcations
- si le circuit
comporte un "noeud", la somme des intensités
des courants arrivant à ce noeud est égale à la somme
des intensités des courants qui en sortent.
Pour vous en
convaincre, voici un exemple chiffré pour chacun des montages
ci-dessus, en donnant à chaque résistance la valeur (purement
arbitraire) de 100 ohms:
Voici une autre
illustration de ces lois:
Signalons par ailleurs
que le sens conventionnel du courant, symbolisé par
une flèche, est en réalité l'inverse du sens réel de déplacement, au niveau atomique, des électrons dans le
circuit. Cette bizarrerie s'explique par le fait que les
savants du XVIIIème siècle avaient une chance sur deux de
"deviner" le sens correct, et ils se sont trompés!
Ceci demeure toutefois sans aucune conséquence pratique.
(3) La résistance
La résistance,
qui se mesure en ohms (W), correspond, comme son nom
l'indique, à la résistance qu'oppose un conducteur (dit
"ohmique") au passage du courant.
Imaginons une
canalisation dont le diamètre n'est pas identique en tout
point, ce qui a pour effet de laisser passer le liquide
qu'elle contient plus ou moins facilement: cela correspond à
la résistance. Sur une route, le passage de
4 à 2 voies constitue un autre exemple de
"résistance".
Intuitivement, on sent bien
que la résistance d'un circuit est en relation directe avec
l'intensité: plus elle est forte, plus cette dernière sera
faible, et vice versa.
On pourrait dire aussi que
plus la résistivité d'un conducteur augmente
(par exemple en cas d'élévation de sa température), plus
l'intensité du courant qui le traverse diminue.
Les résistances (le mot
désigne aussi bien le composant que sa grandeur; il s'agit ici
du composant) peuvent être associées en série ou en parallèle. Avant d'aller plus loin,
voyons l'un et l'autre cas:
Lorsque deux ou
plusieurs résistances sont associées en série,
elles forment un dipôle dont la résistance totale (dite
"équivalente") est la somme algébrique des résistances individuelles.
Le courant
n'ayant qu'un seul chemin, il est "obligé", si on
peut dire, de passer successivement à travers toutes les
résistances qu'il rencontre. Celles-ci s'additionnent.
Ici, plusieurs chemins sont
proposés au courant, qui les emprunte tous (à commencer par le
chemin offrant la moindre résistance). Le résultat est au total
une résistance équivalente moindre que chacune des résistances
individuelles.
Il est à noter que les
deux résistances de 10 ohms montées en parallèle (figure ci-dessus, à droite) forment un dipôle dont la
valeur ohmique est de 5 ohms, mais ce dipôle peut dissiper
une puissance de 1/2 watt, alors que chaque résistance,
prise séparément, ne pouvait dissiper que 1/4 watt.
Le pont diviseur de tension
Voici maintenant une notion
qui n'a l'air de rien, mais qui est fondamentale: il s'agit du pont
diviseur.
La figure de gauche,
ci-dessous, illustre le pont diviseur le plus simple, puisque
constitué de deux résistances, R1 et R2. Le branchement, au
point noté X, crée un "pont", qui divise la tension U
selon la formule donnée.
La figure de droite montre un pont diviseur
constitué de trois résistances identiques. Pour améliorer
la lisibilité, le pont a été encadré en rouge. Ce pont
alimente les entrées e+ de deux amplificateurs
opérationnels, dont nous reparlerons plus loin.
Un néophyte
est souvent décontenancé par cette notion de "pont
diviseur", aussi nous allons sans plus tarder apprendre à
le calculer, à l'aide du logiciel de simulation PSpice.
Le schéma
suivant comporte une pile de 9 V et trois résistances de même
valeur, à savoir 1 k (soit 1 kilo-ohm, ou 1000 ohms). Des
voltmètres "virtuels" (V cerclé) ont été placés
aux points notés A, B et C:
A partir du
schéma de gauche, ci-dessus, comment mesurer les tensions
présentes aux points A, B et C? Pour ce qui concerne point A, la
tension est à l'évidence celle fournie par la pile (V1), soit 9
V. Inutile de sortir la calculette! Aux points B et C, on
applique les formules, d'une désarmante simplicité, et on
trouve les mêmes réponses que PSpice (affichées sur le schéma de droite).
| Vous pouvez à
présent vous exercer avec les deux exemples donnés
ci-contre, en faisant bien attention à la valeur des
résistances.
R2
vaut d'abord 4,7 k, soit 4700 ohms, puis 470 ohms.
Toutes les tensions
sont mesurées par rapport à la masse,
qui est la référence 0 V.
Vous devez retrouver
par le calcul les résultats affichés.
Prenez le temps de
faire au moins un exercice, c'est une notion importante.
(Non, ce n'est pas
compliqué! Il suffit d'appliquer tout bonnement la
formule vue ci-dessus!) |
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Pour dissiper
tout malentendu potentiel, insistons sur le fait que les tensions
sont ici relevées par rapport à la masse, qui
sert de référence, et non aux bornes des résistances.
| Si on veut calculer
la tension aux bornes de R1, il faudra
prendre d'abord sa tension par rapport à la masse et
ensuite soustraire de cette valeur la tension de R2 par
rapport à la masse:
9,000 V - 8,427 V = 0,573 V
Aux bornes de R2, on
trouve:
8,427
V - 5,733 V = 2,694 V
Et aux bornes de R3,
on a bien entendu 5,733 V (ou si vous préférez: 5,733 V
- 0 V).
Vérifions ce qui a
été dit plus haut, à savoir que la tension aux
bornes de deux ou plusieurs récepteurs montés en
série est la somme des tensions aux bornes de chacun des récepteurs:
0,573
V + 2,694 V + 5,733 V = 9 V |
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Cette
précision peut paraître triviale, mais la définition même de
la tension suppose un point de référence, qui n'est pas
obligatoirement la masse. Par conséquent, on prendra soin de
déclarer explicitement quel est le point de référence si ce
n'est pas la masse.
Caractéristique d'un dipôle
La caractéristique d'un dipôle est la courbe représentant la variation du courant
(I) en fonction de la tension (U) à ses bornes, soit I = f (U).
Cette caractéristique est linéaire lorsque la courbe obtenue est une droite. Elle est dite symétrique,
lorsqu'elle est identique quel que soit le sens de branchement.
Ainsi, la caractéristique d'une résistance est linéaire et
symétrique. Celle d'une diode à jonction ordinaire est
non-linéaire et non-symétrique.
| L'illustration
ci-contre représente la caractéristique d'une résistance: elle représente la variation du
courant (en abcisse) qui traverse la résistance en
fonction de la tension (en ordonnée) appliquée à ses
bornes.
On
voit que pour une résistance, la caractéristique est
une droite, et ce quel que soit le sens de branchement.
En effet, une résistance est un composant non-polarisé:
on peut indifféremment la brancher dans un sens ou dans
l'autre. |
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Voici maintenant,
ci-dessous, la caractéristique (partielle) d'une diode:
sur le graphique de gauche, la diode est branchée dans le sens
"passant" (elle laisse passer le courant); sur le
graphique de droite, elle est branchée dans le sens
"non-passant" (elle bloque le courant). On obtient, à
l'évidence, des courbes très différentes selon le sens de
branchement!
On peut donc
conclure que le comportement d'une diode, que nous étudierons
plus en détails ultérieurement, dépend du sens de branchement:
il s'agit par conséquent d'un composant dit polarisé.
La diode fonctionne, dans un circuit électrique, comme un clapet
anti-retour sur une canalisation d'eau ou un sens
interdit sur une route: elle ne laisse passer le courant
que dans un seul sens.
Son symbole, du reste, est assez
évocateur: la pointe du triangle indique le sens
"passant", la petite barre verticale indique le
sens "bloqué".
Notez au passage le symbole du
générateur de courant alternatif. |
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Un dipôle particulier: la cellule RC
Nous avons
défini un dipôle, vous vous en souvenez, comme
étant un système comportant deux pôles de branchement dans lequel peut circuler un courant électrique.
Jusqu'à
présent, nous n'avons étudié que des dipôles constitués
d'éléments individuels (une pile, une résistance, une
diode...) ou d'éléments de même nature (deux piles en série,
plusieurs résistances en série ou en parallèle...).
Voici
maintenant, à titre documentaire pour le moment, un dipôle
comprenant une résistance et un condensateur: il s'agit de la cellule
R-C.
Qu'est-ce qu'un
condensateur? Si on dispose, dans un circuit hydraulique, un
réservoir (ballon d'eau chaude...), on a là une représentation
approximative du condensateur et de sa faculté (sa capacité)
à contenir temporairement une certaine quantité de liquide.
Gonflez une bouée ou un ballon de baudruche, puis au bout d'un
moment laissez l'air s'en échapper: c'est un peu comme cela que
fonctionne un condensateur.
Soumis à une tension U, un
condensateur possède la propriété de se charger et de
conserver une charge électrique, proportionnelle à
U. Cette énergie est restituée lors de la décharge du
condensateur. Ces phénomènes de charge et de décharge ne
sont pas instantanés; ce sont des phénomènes transitoires,
liés à une durée.
Ce
dipôle particulier introduit donc une "grandeur"
supplémentaire dans un circuit électrique: le temps.
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Lorsqu'un
condensateur C est monté en série avec une résistance
R, comme sur le schéma ci-contre, ces deux composants
forment un dipôle couramment appelé cellule RC,
ou réseau RC: le condensateur, initialement déchargé,
se charge à travers la résistance.
La charge
complète demande un certain temps. On définit la constante
de temps (c.t.) comme égale au produit de R par
C (R en ohms, C en farads, c.t. en secondes). Plus la
résistance est faible, plus rapide sera la charge du
condensateur. |
Il
devient dès lors possible de créer des dispositifs qui
dépendent mécaniquement de durées pré-définies et
ultra-précises.
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Electronique
