Mis à jour le mardi 21 février 2017
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  • Difficile

L'électricité

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S'il y a bien quelque chose d'indispensable en électronique, c'est la maîtrise des grandeurs électriques et de leur origine. C'est pourquoi ce chapitre est là pour vous expliquer les notions essentielles à savoir sur ces grandeurs.

En électronique, on manipule diverses grandeurs physiques. Une grandeur physique est un « truc » (pardonnez la vulgarisation) qui se mesure. On va essentiellement utiliser trois grandeurs physiques qui sont : la tension, le courant et la puissance.

Pour comprendre quelles sont les origines de ces grandeurs, on fait souvent une analogie avec les fluides (par exemple de l'eau). Je ne vais donc pas déroger à la règle, c'est ce que je vais faire mais en prenant un exemple plus concret. ;)

Analogie

Entrons dans le contexte par cette analogie toute simple : soit un engin qui fonctionne avec du carburant. J'ai représenté son fonctionnement interne ultra simplifié par cette image :

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Figure 1 − Fonctionnement interne de l'engin

L'engin est composé d'une pompe (originalement appelée zPompe :lol: ) ainsi que d'un réservoir qui contient du carburant. Cet ensemble se trouve dans le cadre gauche de l'image. Un autre cadre (à droite) contient un moteur (dont le fonctionnement interne n'est représenté que schématiquement par du feu et des engrenages) et un pot d’échappement.

La source d'énergie

Nous allons d'abord déterminer d'où viennent les grandeurs physiques avant de voir ce que c'est exactement. L'analogie précédente n'étant pas là pour de la figuration, c'est avec elle que nous travaillerons.

Le générateur

Un générateur est un système qui fournit de l'énergie. Dans notre engin, le générateur est l'ensemble constitué par le carburant et la pompe.

En effet, si l'on regarde le fonctionnement de ce générateur, la zPompe va « aspirer » le carburant contenu dans le réservoir et va le livrer au moteur. Il y a donc génération d'un mouvement de carburant qui va se diriger vers le moteur, moteur qui à son tour va s'en servir pour faire fonctionner l'engin.

En électricité

En électricité, on ne dispose pas de carburant ni de pompe mais de sources qui génèrent des grandeurs physiques, les mêmes que nous allons aborder dans ce chapitre.

Citons plusieurs de ces sources que vous connaissez certainement déjà :

  • la pile ;

  • la batterie ;

  • l'accumulateur ;

  • le secteur électrique (attention, ce n'est pas le même type de source que les autres).

Le récepteur

Un récepteur est un système qui reçoit de l'énergie. Toujours dans notre engin, le récepteur est le moteur.

Là encore, si l'on étudie le fonctionnement, le moteur reçoit le carburant provenant du générateur pour ensuite l'utiliser afin de fonctionner.

En électricité

En électricité, on dispose aussi de moteurs mais on les appelle « récepteurs ». Ils n'absorbent pas de carburant, mais ils utilisent les grandeurs physiques de l'électricité (toujours les mêmes dont nous allons parler au cours de ce chapitre).

Citons plusieurs exemples que vous connaissez également :

  • le chauffage ;

  • le grille-pain ;

  • le téléphone portable ;

  • l'ordinateur ;

  • etc.

Pour faire simple, un récepteur en électronique est tout ce qui fonctionne avec de l'électricité.

L'essentiel

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Figure 2 − Découpage en deux parties du fonctionnement de l'engin

Ce qu'il faut retenir, c'est que le générateur fournit le carburant nécessaire au fonctionnement du récepteur qui absorbe ce carburant pour fonctionner.

En électronique, on travaille sur la conception, la réalisation et l'analyse du fonctionnement interne du récepteur, qui n'est autre que le circuit électrique. Le générateur n'est étudié que lorsque l'on a besoin de le créer pour répondre à son propre besoin. En attendant, concentrons-nous sur la partie « récepteur ».

Le courant

Dès que l'on met en marche notre engin (imaginons que c'est une voiture), la zPompe va fonctionner et va envoyer le carburant vers le moteur. En faisant circuler le carburant à travers le tuyau, elle crée ce que l'on appelle un courant (représenté par la flèche en rouge). En terme technique, on dit qu'elle débite un courant.
Ce courant, c'est simplement un déplacement de carburant. Plus la quantité de carburant déplacé est grande et plus le carburant se déplacera vite, plus le courant sera intense.

Ce qui va donc être déplacé par la zPompe, c'est du carburant.

Mais dans le cas d'un circuit électronique qui fonctionne non pas avec du carburant mais avec de l'électricité, qu'est-ce qui va se déplacer ?

Ce sont des charges électriques.
Charges électriques ? o_O Ça mérite une petite explication.

Les charges électriques

Pour définir correctement le courant électrique, il faut d'abord savoir ce qu'est une charge électrique.

Citation : Wikipédia

Comme la masse, la charge électrique est une propriété intrinsèque de la matière, qui permet d'expliquer l'origine de certains phénomènes. Personne n'a jamais observé directement une charge électrique, mais les scientifiques ont remarqué des similitudes de comportement de certaines particules : ils ont donc postulé que ces particules avaient des caractéristiques en commun, dont les propriétés coïncidaient avec leurs observations.

Image utilisateur

En résumé, la charge électrique est une grandeur physique qu'on peut donner à un objet et qui peut être mesurée par un nombre.
Ce nombre peut :

  • être supérieur à 0 : on dit alors que la charge de l'objet est positive (bonhomme avec le +) ;

  • être inférieur à 0 : on dit alors que la charge de l'objet est négative (bonhomme avec le -) ;

  • être égal à 0 : on dit alors que la charge de l'objet est nulle (bonhomme avec le 0).

Cette charge va influencer la façon dont les objets autour vont se déplacer. Un objet qui possède une charge électrique va agir sur tout objet possédant lui aussi une charge électrique et va l'attirer ou le repousser. Par exemple, l'électricité statique est due à ces charges électriques.

La façon dont les charges réagissent entre elles est assez simple à décrire. Avec mon talentueux génie et mon adorable Paint.NET, je vous ai concocté une suite d'images pour lesquelles vous allez vous régaler ! :p

  • Deux charges positives vont se repousser.

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  • Deux charges négatives vont se repousser.

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  • Une charge positive va attirer une charge négative et inversement.

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  • Les charges nulles ne sont pas du tout attirées ni repoussées. Et inversement, elles n'attirent ni ne repoussent les autres charges. En clair, elles ne font rien. On peut donc les laisser de côté et ne plus s'en soucier.

Ainsi, une charge va avoir tendance à dévier ou accélérer toute particule qui passe à proximité. La zone dans laquelle une charge électrique va agir sur les autres charges de passage s'appelle un champ électrique.

Maintenant, on sait ce qui se déplace dans un circuit. Avec la zPompe, c’était du carburant, en électronique, ce sont nos charges électriques. On peut maintenant définir correctement ce qu'est un courant :

Un courant électrique est un déplacement ordonné de charges électriques.

Vous remarquerez que j'ai utilisé le mot ordonné dans ma définition du dessus. Cela signifie une chose : des charges qui se déplacent n'importe comment ne forment pas un courant. Pour mériter le nom de courant, il faut que toutes les charges se déplacent dans le même sens et dans la même direction.

Dès qu'il y a une ou plusieurs charges électriques qui se déplacent dans le même sens et la même direction, il y a création d'un courant électrique.

La notion de conductibilité

Tous les matériaux ne se comportent pas de la même façon en présence d'un courant électrique. Leur comportement diffère en fonction d'un paramètre que l'on appelle la conductibilité :

La conductibilité, c'est la capacité qu'ont les matériaux à se faire traverser par un courant électrique.

La conductibilité va définir ce qui se passe quand on envoie un courant dans un matériau : est-ce que les charges électriques vont pouvoir traverser le matériau facilement ou pas ?

Du point de vue de la conductibilité, il existe quatre grandes familles de matériaux :

Famille de matériaux

Propriétés

Les isolants

Conductibilité nulle.

Le courant ne passe pas à travers ces matériaux. Citons par exemple le plastique ou le verre.

Les semi-conducteurs

Conductibilité faible, mais variable suivant la situation.

Ils ne se laissent pas traverser facilement par un courant, sauf dans certaines situations. Là encore, tout dépend de certains paramètres. Par exemple, certains sont complètement isolants, mais laissent passer le courant quand on les éclaire ou quand on les chauffe. Citons quelques exemples : le silicium ou le germanium.

Les conducteurs métalliques

Conductibilité forte.

Ils se laissent traverser par le courant quelles que soient les circonstances. Le seul problème est qu'une partie de l'énergie des charges électriques du courant va se dissiper dans le métal sous forme de chaleur. Citons le cuivre, l'aluminium, l'or, le fer… Tous les métaux en somme.

Les supraconducteurs

Conductibilité infinie.

Ils se laissent traverser par un courant sans opposer la moindre résistance. Un courant qui rentre dans le matériau ressortira sans aucune perte : pas de création de chaleur. Enfin, ce n'est vrai qu'en théorie : dans la réalité, un supraconducteur possède toujours quelques impuretés qui seront la cause de pertes, aussi infimes soient-elles, par effet Joule (chaleur).

Dans les circuits électroniques, on utilise aussi bien des semi-conducteurs que des conducteurs métalliques. Sur un montage électronique, on utilise aussi des isolants.

Pourquoi n'a-t-on pas de supraconducteurs ?

Eh bien parce que les supraconducteurs sont vraiment très chers et qu'un matériau n'est supraconducteur qu'à de très basses températures proches du zéro absolu (non, pas Zozor ! :p ) qui vaut 0K (zéro Kelvin). En Celsius, cela donne $\(-273,15^oC\)$. Ils ne sont donc utilisés que dans des conditions extrêmes (c'est le cas de le dire), souvent pour la recherche scientifique.

Sens du courant

Tout d'abord, un courant n'apparaît pas comme ça, il faut fatalement quelque chose qui va influencer les charges électriques de façon à les déplacer. Ce quelque chose, on l'appelle un générateur électrique. Son rôle : créer un courant dans un circuit.

Dans notre analogie, c'est la zPompe qui va pomper le carburant et qui va l'envoyer dans le circuit. Un générateur électrique agit de la même façon, mais avec des charges électriques. Bon, ce n'est pas exactement ça, mais si on a le temps, on verra comment fonctionne un générateur électrique (il ne contient pas de pompe à l'intérieur).

Dans l'exemple qui va suivre, notre générateur sera une pile électrique qui possède deux bornes : une positive (« + ») et une négative (« - »). Ces bornes sont un simple morceau de conducteur sur lequel il y a un léger déséquilibre de charges :

  • la borne « + » contient des charges positives en excès (en réalité, elle manque de charges négatives, mais quoi qu'il en soit, cette borne aura une charge positive) ;

  • la borne « - » contient un excès de charges négatives.

Prenons un exemple avec ce schéma simplissime :

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Figure 3 − Pile dont les bornes sont reliées par un fil

Si l'on relie ces deux bornes par un fil conducteur, les charges d'une des deux bornes vont s'attirer fortement et vont se déplacer dans le fil pour aller rejoindre l'autre borne.

Mais dans quel sens ? De quelle borne vers quelle borne ?

Eh bien… ça dépend. Ça dépend du matériau utilisé pour fabriquer le fil.

Sens conventionnel du courant

Afin d'éviter toute complication, les scientifiques du monde entier se sont réunis il y a longtemps et ont défini des lois (ou plutôt des conventions) qu'il faut respecter, le but étant d'éviter toute confusion entre scientifiques, amateurs, techniciens… et d'imposer un système bien cadré. Je vais vous donner l'une d'entre elles à propos du courant.

Le sens conventionnel du courant est celui que l'on donne au sens de circulation du courant. C'est-à-dire que quel que soit son sens (qu'il parte du pôle « + » de la pile pour aller au pôle « - », ou inversement), par convention, il ne sera fléché et défini que dans un sens unique. Cette convention impose que le courant en provenance d'un générateur (la pile dans notre exemple) sorte obligatoirement de la borne positive de ce dernier, pour aller rejoindre sa borne négative.

Reprenons notre exemple. Le courant qui parcourt le fil circule du pôle « + » de la pile au pôle « - ». On flèche donc le courant dans ce sens-là :

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Figure 4 − Sens conventionnel du courant électrique
à travers un matériau métallique

Image utilisateur

Figure 5 : Représentation d'un Atome et de
son champ électronique

Courant dans un métal

Dans un fil ou dans un câble métallique, le courant électrique peut circuler. En effet, le métal est un ensemble d'atomes (particules élémentaires) liés bout à bout. Ces atomes sont constitués :

  • d'un noyau formé de particules nommées protons, chargées positivement, et de neutrons de charge nulle ;

  • d'un nuage électronique composé d'électrons qui portent une charge électrique négative.

Quel que soit le matériau, les électrons (de charge négative) vont attirer et se faire attirer par les protons. Résultat : les électrons et les protons vont être si fortement attirés (comme des aimants) qu'ils vont rester tout le temps à une distance très petite les uns des autres. D'ailleurs, il faudra faire beaucoup d'efforts pour les éloigner.
C'est ainsi qu'est formé un atome.

Mais dans les métaux, tous les électrons ne sont pas aussi fortement attirés par les protons. Certains vont tranquillement se promener dans tout le matériau, faiblement attirés par les protons du matériau et vont se déplacer sous l'effet de la température.
Faiblement influencés par les noyaux, il est facile de les attirer par différents moyens et de les faire se déplacer de façon ordonnée de façon à créer un courant. Ce sont des électrons libres.

Dans un métal, le courant est un déplacement de ces électrons libres. Les autres électrons ne bougent quasiment pas et s'éloignent rarement de quelques milliardièmes de mètre de leur noyau. Dans ce même métal, le courant se déplace le plus souvent de la borne « - », remplie d’électrons, vers la borne « + ». Mais cela n'est vrai que dans les métaux.

Intensité du courant

Attention, ne négligez pas le point que je vais présenter, vous risqueriez d'être perdu pour la suite du cours !

Un courant qui circule (le carburant dans un tuyau dans notre analogie) va pouvoir déplacer plus ou moins de charges en un temps donné. Pour la zPompe, on parle de son débit : c'est la quantité de carburant qu'elle va déplacer en une seule seconde pour alimenter le moteur.

Pour un générateur électrique, on a quelque chose d'équivalent. Il va mettre en mouvement un grand nombre de charges électriques. Ces charges iront plus ou moins vite, cela dépendra de la vitesse à laquelle elles seront « propulsées ». Suivant le nombre de charges mises en mouvement et leur vitesse, on déplacera une plus ou moins grande quantité de charges électriques dans le circuit en un temps donné.

Ce débit de charges, c'est l'intensité du courant électrique.

Unité

Pour un fluide, tel notre carburant, on mesure son débit (préférez son intensité) en $\(m^3/s\)$ (mètre cube par seconde). Pour mesurer l'intensité du courant électrique, on utilise une unité bien particulière qui se nomme l'ampère, du nom de son inventeur André-Marie Ampère. On note cette unité avec la lettre A (en majuscule, toujours !).

Mesure de l'intensité

Bien sûr, tout comme les fluides, on peut mesurer la vitesse d'un courant électrique. Pour ce faire, on utilise un ampèremètre qui est un appareil spécialisé dans la mesure de l'intensité du courant.

Ordres de grandeur

Un ordre de grandeur est une fourchette de valeurs. Il est employé pour communiquer sur des grandeurs allant de l'infiniment petit à l'infiniment grand. Voici un tableau récapitulatif des ordres de grandeur de l'ampère utilisés en électronique :

Nom

Symbole

Puissance de 10

Commentaire

Ampère

A

$\(10^0\)$  

Peu utilisé

Milliampère

mA

$\(10^{-^3}\)$  

Très utilisé

Microampère

µA

$\(10^{-^6}\)$  

Souvent utilisé

Nanoampère

nA

$\(10^{-^9}\)$  

Peu utilisé

Picoampère

pA

$\(10^{-12}\)$

Rarement utilisé

Représentation

Sur un schéma électronique, la représentation du courant se fait par une flèche orientée dans le sens théorique de circulation du courant. Reprenons notre ampoule alimentée par la pile :

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Figure 6 − Ampoule reliée aux bornes d'une pile

La flèche doit être orientée « sortante » à la sortie d'un dipôle et « entrante » à son entrée. Elle montre donc le sens conventionnel de circulation du courant, mais pas forcément son sens réel !

Conservation de l'électricité

Maintenant, il faut savoir une chose importante : il ne peut pas y avoir création ou disparition de charges électriques dans un circuit électrique. C'est une loi physique très importante qui nous le dit et qui est nommée « la conservation de la charge électrique ». Et comme le dit si bien notre cher ami Antoine Lavoisier : « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme ! ».

On peut en déduire facilement que la somme des charges électriques sortant d'un générateur et parcourant un circuit électrique est égale à la somme des charges revenues à l'entrée du générateur. En clair, aucune charge n'a disparu en chemin.

Comprenez bien que si le carburant arrive au moteur avec une quantité inférieure à celle partant du réservoir, c'est qu'il y a une fuite ! Il en est de même avec un courant. Ce genre de fuite arrive de temps en temps, il faut donc la repérer puis la réparer.

Notions avancées : l'intensité, ça se calcule !

Eh oui, on trouve une formule pour tout ! Même en amour. Oui, oui ! :o

Voyons comment cela se présente. Je vais vous expliquer plus précisément la nature du courant électrique. Pour cela, nous avons besoin de conditions.

Soit un courant constant et une quantité d'électricité qui parcourt une section d'un fil électrique. La formule qui suit permet de savoir quelle est la quantité de charges électriques qui ont circulé dans ce conducteur pendant une seconde :

$\[I = \frac{Q}{T}\]$

Explications
  • I : c'est l'intensité, en ampère.

  • T : c'est le temps, en seconde.

  • Q : c'est la charge électrique d'un électron, exprimée en coulomb.

Pour comprendre, entrons au cœur de la matière qui constitue chaque être vivant et non-vivant et parlons d'atomes. Nous l'avons vu, le noyau est le centre de l'atome, c'est autour de lui que gravitent les électrons. Ce noyau est composé de protons qui sont chargés positivement et de neutrons qui eux sont neutres, d'où leur nom !

La charge électrique d'un seul proton vaut $\(1,60.10^{-19}\)$  coulomb.

La charge électrique d'un seul électron vaut $\(-1,60.10^{-19}\)$  coulomb.

Un atome « normal » a autant de protons que d’électrons. En additionnant la somme de toutes les charges de l'atome, on trouve zéro (essayez…). Nous en déduisons que la charge électrique d'un atome est nulle ; on dit qu'il est électriquement neutre.

Calcul

Revenons-en à la formule $\(I = \frac{Q}{T}\)$ 

La quantité Q se mesure en coulomb, en hommage à Charles-Augustin de Coulomb.

Si l'on veut connaître la quantité d'électrons qui est passée dans une section de fil électrique pendant une seconde, il va falloir modifier légèrement la formule de façon à donner ceci : $\(Q = I \times T\)$ 

Calculons la quantité d'électrons qui ont parcouru la section d'un fil électrique pendant une seconde et avec une intensité du courant égale à 1 ampère :

$\[Q = I \times T(Q = 1~ ampere \times 1~ seconde) \\ Q = 1 \times 1 \\ Q = 1~ coulomb\]$

Nous savons à présent que la quantité de ces électrons est de 1 coulomb. Pour connaître le nombre d'électrons que cela représente, il faut réaliser un deuxième calcul. Je divise donc la quantité d'électrons par la valeur absolue de la charge d'un électron, ce qui nous donnera précisément le nombre d'électrons recherché.

$\[Nombre d'électrons = \frac{1~ coulomb}{|-1,67.10^{-19}|}\]$

$\[Nombre d'électrons = 5,988.10^{18} électrons\]$

Le résultat est impressionnant ! Le nombre d'électrons qui ont parcouru la section du fil électrique pendant une seconde, et ce avec une intensité du courant égale à 1 ampère, est de quasiment 6 000 000 000 000 000 000 (soit six milliards de milliards d'électrons en UNE seconde) ! Autant dire que ça cogite dans un fil électrique ! Alors, imaginez le nombre que cela représente avec une prise électrique de 16A ! :o

Relation

Nous avons vu qu'il y avait 1 coulomb dans une section d'un fil électrique lorsqu'il y a une intensité de 1 ampère et ce pendant une seconde. Donc en une heure, combien y aura-t-il de coulombs ?

Réponse : 3 600 coulombs. Oui, car il y a 3 600 secondes dans une heure. Il y a donc 3 600C à 1A pendant une heure.

3 600 coulombs = 1 ampère par heure, écrit de cette façon : 3 600C = 1Ah

On s'arrête là avec les notions avancées car au-delà, l'utilité est moindre.

La tension

D'après l'analogie, qu'est-ce que la tension ?

Dans notre analogie, la zPompe va créer un courant dans le circuit. Pour cela, cette dernière va « pousser » le carburant dans le circuit pour le faire circuler. Cette poussée s'appelle la pression. Sans pression, il n'y a pas de carburant dans le circuit ! Il y a forcément quelque chose dans la zPompe qui va mettre le carburant en mouvement à travers tout le circuit et donc créer un courant.

Dans un circuit électrique, c'est semblable. Il y a quelque chose qui va déplacer nos charges dans tout le circuit sans qu'on ne leur ait rien demandé. Dans un fluide, ce qui met en mouvement le carburant, c'est la pression. Dans un circuit électrique, c'est la tension.

Soyons plus précis

Dire que la tension déplace nos charges, c'est assez vague. Je vais tenter de vous donner une définition plus précise. Il va falloir parler d'énergie. Mais autant vous prévenir tout de suite : l'explication sera un peu longue et ne sera pas forcément intuitive au premier abord.

Dans notre circuit, les charges positives et négatives s'attirent et se repoussent en permanence. Ces attractions et répulsions vont donner de l'énergie pour chaque charge présente dans le circuit. Cette énergie s'appelle l'énergie potentielle électrostatique. Une grosse partie de cette énergie vient de l'influence des bornes « + » et « - » du générateur.

Cette énergie dépend uniquement de la position de la charge dans le circuit (qui nous dira si elle est plus ou moins proche des bornes « + » et « - » du générateur). Ce qui fait qu'en un point A du circuit, notre charge Q aura une certaine énergie E (au point A), notée E(A). À un autre endroit B, elle aura une énergie E (au point B), notée E(B).

La tension entre les points A et B est égale à l'énergie de notre charge en A, moins l'énergie de notre charge en B, le tout divisé par la valeur de la charge. Ce qui donne :

$\[U = \frac {E ( A ) - E ( B )} {Q}\]$

Dans un générateur, la charge électrique va se déplacer d'une borne du générateur à l'autre et va gagner de l'énergie. Une fois arrivée à l'autre borne, toute son énergie potentielle va se transformer en énergie cinétique qui va accélérer notre charge et la faire circuler dans le circuit. Bien sûr, toute cette énergie gagnée lors du passage dans le générateur sera perdue lors du passage dans les différents récepteurs qui consommeront l'énergie gagnée par la particule. Quand une particule se déplace dans un circuit électrique, cette énergie va varier et se transformer en vitesse (en énergie cinétique plus précisément, mais bon…).
Supposons que E(B) > E(A), cette énergie perdue lors du passage de B à A est transformée en énergie cinétique qui va accélérer la particule ou la mettre en mouvement. C'est ainsi que notre charge va se mettre à accélérer.

Unité

Comme toute grandeur électrique qui se vaut, elle a sa propre unité de mesure. C'est le volt, en hommage à Alessandro Volta. Cette grandeur électrique est fréquemment notée avec les lettres suivantes : V, U, E ou e.

Mesure

On mesure la tension avec un appareil spécialisé qui se nomme étonnamment le voltmètre. ^^ Le branchement de cet appareil s'effectue aux bornes d'un dipôle ce qui permet de mesurer la tension aux bornes de ce même dipôle.

Ordres de grandeur

Ils sont bien différents de l’ampère sur lequel on manipule de très faibles valeurs.

Nom

Symbole

Puissance de 10

Commentaire

Volt

V

$\(10^0\)$ 

Très utilisé

Millivolt

mV

$\(10^{-^3}\)$ 

Très utilisé aussi

Microvolt

µV

$\(10^{-^6}\)$ 

Rarement utilisé

Nanovolt

nV

$\(10^{-^9}\)$ 

Réception d'un téléphone portable

Notation

Sur le schéma, la tension représentée par la lettre sans indice U est associée à une flèche (de tension) dont la pointe se situe en P et la queue en M. Cela signifie : $\(U = U_{PM}\)$ 

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Figure 7 − Représentation de la tension par une flèche

Pratique

Branchons le voltmètre aux bornes du dipôle (ici de la lampe), avec la borne positive du voltmètre au « + » de la pile et sa borne négative (appelée COM) au « - ». Ce dernier va nous indiquer la tension $\(U_{PM}\)$. Cette tension est de 10V.

Nous avons donc une tension entre le point P du circuit et le point M, qui se note $\(U_P - U_M = 10V\)$, soit $\(U_{PM} = 10V\)$, car le point M est à 0V et le point P à 10V.

À présent, inversons le sens de branchement du voltmètre. Il affiche désormais : -10V. On le note alors $\(U_M - U_P = -10V\)$, soit $\(U_{MP} = -10V\)$ (car : 0V - 10V = -10V).

La tension est donc négative ou positive selon notre choix, ceci est dû au fait que la masse est choisie arbitrairement…

La masse : une référence

On a donc notre tension qui est une différence entre deux énergies. Jusque-là, pas de problème. Mais cette différence, elle est faite par rapport à quoi ?

Un référentiel est un point que l'on définit comme étant la référence. Cela ne vous avance pas beaucoup.

Notion de référentiel

Lorsque l'on prend une mesure, on fixe un point qui va nous permettre de prendre cette mesure. C'est le référentiel.

Prenons pour exemple le mont Blanc, qui est le plus haut sommet d'Europe. Eh bien sa taille (j'arrondis puisqu'elle varie en permanence) est de 4810 mètres par rapport au niveau de la mer. Vous vous êtes donc référencé au niveau de la mer pour le mesurer. Mais du haut de ce sommet, le niveau de la mer est à -4810 mètres (on peut également dire que la mer est à 4810 mètres sous nos pieds). La référence a changé : ce n'est plus le niveau de la mer mais le sommet du mont Blanc.

Idem lorsque vous vous mesurez. De vos pieds à votre tête, vous mesurez 1,60 mètre (pas tout le monde évidemment !). Mais si vous êtes au 45ème étage d'un immeuble (j'exagère un peu), eh bien par rapport au rez-de-chaussée, le sommet de votre tête est à 136,6 mètres ! (Calcul : 45 étages x 3m + 1m60.) Vous avez donc délaissé vos pieds qui étaient la référence pour choisir le rez-de-chaussée.

La référence est donc un choix arbitraire, c'est pour cela que l'on parle d'une référence et pas de la référence.

Pourquoi tu nous parles de nos pieds, du Mont Blanc et d'un immeuble de 45 étages ?

Pour la simple et bonne raison que ce sont des mesures et que l'on procède de la même manière avec des tensions. On les mesure par rapport à une référence qui est, pour un circuit électronique, la masse !

La masse

Dans la sous-partie sur la tension, j'ai parlé de masse car c'est le point de référence qui permet de mesurer la tension. C'est le 0 volt du circuit.

Représentation

La masse est représentée dans un circuit par ce symbole qui peut légèrement différer selon les schémas. Elle est toujours pointée vers le bas :

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Figure 8 − Représentation schématique de la masse

La terre est représentée ainsi, nous allons voir ce que c'est :

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Figure 9 − Représentation schématique de la terre

Référence absolue ?

Absolument pas !

La masse est, je l'ai dit, une référence dans un circuit. On peut très bien prendre 10V comme référence, ce qui nous amène à avoir -10V à la place de la masse ! (Cf. la tension => pratique) o_O Cependant, il faut le souligner, la masse aura toujours un potentiel zéro car on ne pourra jamais mesurer de différence de mesure entre elle et elle-même (dans un même circuit).

La masse et la terre

Sur les prises de l'installation électrique de votre maison ou de votre appartement, il y a une fiche (un embout métallique) qui sort. Cette fiche est reliée à la terre (entendez le sol). Eh bien la terre est une référence, mais elle est différente de la masse, car ces deux références ne sont pas communes. Si vous voulez, tant qu'elles ne sont pas reliées entre elles, elles seront différentes. Mais si par malheur elles venaient à se connecter ensemble, il pourrait y avoir de graves conséquences pour vous.

En fait, comme je l'ai dit, le choix de la masse est totalement arbitraire. Elle n'est définie que parce qu'on lui a demandé d'être comme elle est. Elle diffère donc entre chaque montage. On peut alors mesurer une différence de tension entre la masse et la terre.

La puissance

Plus haut, dans la partie sur la tension, on a parlé d'énergie.

Sachez que l'énergie peut prendre une multitude de formes. Par exemple, elle peut devenir une énergie thermique, lumineuse, mécanique, électrique, cinétique, chimique, etc. Dans un système, il n'est pas rare que l'énergie se transforme et passe d'une forme à une autre.
C'est ce qui se passe dans une pile : celle-ci crée une tension dans un circuit. Pour cela, elle utilise des réactions chimiques qui vont libérer un peu d'énergie et l'utiliser pour créer un déséquilibre de charges électriques afin de charger ses bornes « + » et « - ».

Effet joule

Dans nos circuits électriques, un phénomène assez ennuyeux survient.

Lorsqu'un conducteur métallique ou un semi-conducteur est traversé par un courant, il chauffe, et ça, c'est inévitable. Une partie de l'énergie électrique transportée par le courant est transformée en chaleur. C'est ce qu'on appelle l'effet joule (encore du nom de son inventeur !).

La zPompe, qui est un moteur, connaît bien ce phénomène de transformation d'énergie électrique en énergie thermique (chaleur) et mécanique (rotation d'un axe). En effet, la zPompe a besoin d'électricité pour fonctionner, mais au fil du parcours de l'électricité dans la zPompe, l'énergie se transforme et devient une énergique mécanique (rotation de l'axe de sortie) car c'est sa fonction principale. Une partie de cette énergie mécanique sera transformée en énergie thermique (chaleur) à cause des frottements de l'air et des pièces mécaniques. Ce phénomène est indéniable.

Conservation de l'énergie, on y revient !

Mais dans tous les cas, zPompe ou pas, il n'y a pas création ou disparition d'énergie. On dit aussi que l'énergie est une grandeur conservée. La conservation de l'énergie est une loi fondamentale de la physique, il ne faut en aucun cas la négliger ! Souvenez-vous-en !

Bon, c'est bien beau, mais ça sert à quoi de savoir ça ?

Résumons par ce schéma :

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Figure 10 − Représentation des pertes énergétiques

Le tout n'est pas de savoir quelles sont les formes que prend l'énergie dans un système mais de vérifier la loi suivante : L'énergie totale consommée par un système est égale à la somme des énergies restituées par ce même système.

Autrement dit, s'il y a une énergie moins forte à la sortie d'un système qu'à son entrée, c'est que le système crée des pertes énergétiques (pour la zPompe, ce sont les pertes par énergie thermique). Cependant, il n'existe à ce jour aucun système qui restitue entièrement l'énergie absorbée (en entrée) en énergie utile (en sortie). Ou bien si, il en existe, mais il est nécessaire d'utiliser des supraconducteurs.

C'est pourquoi lorsque vous avez un système, il y a des pertes (en électronique, c'est souvent à cause d'un échauffement des composants).

Quelques informations sur les pertes énergétiques

En électronique, le ralentissement des avancées technologiques se fait ressentir à cause de la puissance qui est dissipée dans un système (chaleur). Dans un ordinateur, par exemple, le cœur qui le fait fonctionner (le processeur) est très puissant au niveau des performances de calcul, mais il est aussi très gourmand en énergie et a besoin d'un bon radiateur avec ventilateur pour le refroidir, sous peine de le faire griller. C'est pourquoi les performances de ces derniers « stagnent » et évoluent de moins en moins. Pour franchir ce palier, d'autres approches technologiques orientent les recherches vers des matériaux qui consomment moins. Ce domaine est celui de la microélectronique et de nombreux emplois sont à pourvoir. ;)

Puissance

La puissance :

  • c'est à la fois l'énergie consommée par un système (en général sous forme de chaleur, mais aussi sous forme mécanique ou lumineuse) ;

  • c'est aussi l'énergie maximale qui peut être fournie par un système (par exemple la zPompe).

La puissance est par conséquent la quantité d'énergie que peut fournir un système à un autre système durant un temps donné. Prenons pour exemple un vélo. Vous devez fournir une puissance plus importante à chaque fois que vous augmentez le cran des vitesses pour aller plus vite, et ce sans trop vous fatiguer.

En électronique, la puissance est définie par la relation entre l'intensité et la tension par cette formule :

$\[P = U \times I\]$

Cette formule n'est toutefois que partiellement vraie : il faudra ajouter quelques petites subtilités dans la suite du tutoriel, lorsque l'on verra des tensions ou des courants qui varient dans le temps.

Unité

La puissance se calcule en watts, du nom de James Watt. Elle peut se mesurer grâce à un wattmètre (surprenant, n'est-ce pas ?) ou peut se calculer avec la formule précédente.

Un watt est égal à un joule (unité de l'énergie) par seconde :

$\[1W = 1J/s\]$

Ordres de grandeur

Nom

Symbole

Puissance de 10

Commentaire

Watt

W

$\(10^0\)$ 

Très utilisé

Milliwatt

mW

$\(10^{-^3}\)$ 

Très utilisé aussi

Microwatt

µW

$\(10^{-^6}\)$ 

Rarement utilisé

On a enfin terminé ce chapitre ! Si vous ne comprenez pas certains points, n'hésitez pas à le relire avant de commencer le chapitre suivant ! Autrement, vous risqueriez d'être perdu pour la suite.

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