Electricité facile a comprendre en PDF
Livre approfondie sur l’électricité
2 DÉCOUVERTE DE L’ÉLECTRICITÉ.
Déjà 600 ans avant J.C. les sages avaient remarqué que l’ambre jaune (résine fossilisée) frotté vivement avec un tissu de laine attirait certains corps légers.
Figure 1 : Électrisation par frottement
Puis, par la suite on s’est aperçu que d’autres corps isolants avaient la même propriété et que l’on pouvait frotter l’objet avec d’autres matières, des peaux d’animaux par exemple. L’ambre se dit électron en Grec et on a donné à ce phénomène le nom d’électricité ou d’électrisation, un corps frotté qui attire de petits objets est dit électrisé.
Ce n’est que bien plus tard (vers les années 1800) que l’on a mis en évidence les “deux sortes” d’électricité que l’on appelait électricité résineuse pour celle obtenue avec l’ambre et l’électricité vitreuse pour celle obtenue avec le verre.
Figure 2 : Machine ayant permis les premières expériences en électricité statique
On a aussi remarqué à l’époque que deux corps chargés de la même électricité se repoussent alors que deux corps chargés d’électricités contraires s’attirent, cela a été mis en évidence grâce au pendule électrique, c’était une boule de moelle de sureau (très légère) suspendue qui était attirée ou repoussée par les corps électrisés.
Figure 3 : Pendule électrique
Par la suite, on a découvert ce qu’est réellement l’électrisation, l’explication qui suit est volontairement simpliste, il ne s’agit pas ici ‘un cours de physique nucléaire…
La matière est constituée d’ atomes pour les corps simples : oxygène, hydrogène, cuivre, par exemple et de molécules pour les corps composés : l’eau par exemple qui est constituée de molécules regroupant deux atomes d’hydrogène et un atome d’oxygène.
L’atome est constitué d’un noyau composé de protons et de neutrons entouré d’une ou plusieurs couches (orbites) d’électrons, ces couches sont concentriques mais pas sur le même plan (tout comme les planètes autour des étoiles) mais on les représente souvent sur le même plan pour en détailler le nombre comme dans la Figure 11 page 9.
Quand on frotte l’ambre avec du tissu de laine ou de soie, des électrons sont arrachés par l’ambre au tissu, et l’ambre est alors chargée négativement (excès d’électrons), c’est l’électricité résineuse, cette charge électrique s’appelle potentiel et se mesure en volts.
L’ambre étant un isolant, cette charge reste en place et n’est pas dispersée dans le reste de l’objet, elle reste en surface, par contre, un objet électrisé peut transmettre sa charge par contact avec un autre objet, c’est ce qui arrive avec le pendule électrique (neutre au départ) qui est d’abord attiré par l’objet électrisé puis est repoussé par lui après le contact car il est alors chargé de la même électricité et les électricités de même signe se repoussent alors que les électricités contraire s’attirent (chaque électricité attire un corps neutre).
3 LE COURANT ÉLECTRIQUE.
Nous venons de survoler les expériences d’électricité statique, ce sont elles qui ont été à l’origine des développements qui ont amené cette extraordinaire révolution technologique qu’a apporté l’exploitation des effets du courant électrique.
La première source de courant continu a été la pile de Volta du nom de son inventeur elle a été créée en 1800, elle était constituée comme son nom (pile) l’indique d’un empilage de plaques circulaires de zinc (pôle négatif), et de cuivre (pôle positif) séparées par une couche de tissu imprégné d’eau salée constituant ce que l’on nomme l’électrolyte, la tension disponible (mesurée en volts) était proportionnelle au nombre d’éléments zinc+électrolyte+cuivre.
Figure 4 : Pile de Volta
Avec le courant continu, on a découvert les effets magnétiques de l’électricité : Le courant continu parcourant un solénoïde (bobinage) provoque un champ (flux) magnétique (aimantation), si on place un noyau en métal ferreux au centre de ce bobinage on obtient un électro-aimant et suivant la constitution de ce noyau, l’aimantation peut être permanente ou non.
Après des tâtonnements, en essayant de produire de l’électricité en mettant un aimant à l’intérieur d’un bobinage, on a découvert qu’une c’est la variation du flux magnétique à l’intérieur du bobinage (et non pas la seule présence de l’aimant) qui produit une tension électrique proportionnelle à l’importance de cette variation et à sa rapidité.
Figure 5 : Découverte de l’induction par le mouvement d’un aimant
Ces découvertes ont amené à la fabrication du premier dispositif de production de courant électrique avec du mouvement : La machine de Gramme, l’ancêtre de la dynamo dans laquelle c’est l’aimant qui est fixe et l’ensemble de bobinages qui tourne à l’intérieur du flux magnétique et qui délivre une tension continue recueillie sur le collecteur par deux lames de cuivre souple appelées “balais”, puis, les balais en cuivres furent remplacés par du graphite et on les appelle maintenant les charbons.
Figure 6 : Machine de Gramme et son Collecteur grossi vu en coupe
Les recherches sur l’induction dans les bobinages ont également mené à la conception des transformateurs (induction dans un bobinage par un autre).
Figure 7 : Induction dans un bobinage par un autre
Dans cette expérience, c’est encore le mouvement qui est à l’origine du courant produit par l’induction, mais l’ingénieur Ruhmkorff a inventé en 1851 une bobine d’induction qui porte son nom, équipée d’un mécanisme vibreur : Le courant dans le bobinage inducteur passe par un contact et une lame de ressort, qui coupe le circuit, quand elle est attirée par le noyau, et le rétablit quand elle est relâchée.
La bobine de Ruhmkorff est le véritable ancêtre du transformateur, elle permettait déjà à l’époque de produire des étincelles pouvant atteindre 30 cm de longueur en partant d’une tension de quelques volts produite par une batterie de piles, elle est aussi utilisée dans l’automobile (bobine d’allumage) où le courant était pulsé au rythme du moteur par le rupteur d’allumage (appelé “les vis platinées”).
Le courant ainsi produit n’est pas du courant alternatif, mais du courant dit “pulsé”, il permet quand même l’induction car le flux magnétique produit est variable et ce sont les variations de flux qui sont à l’origine de l’induction.
Figure 8 : Principe de la bobine de Ruhmkorff
Figure 9 : Extrait concernant la bobine de Ruhmkorff
La pile de Volta a été améliorée par la suite, on voit un élément de pile de Daniel déjà plus ressemblante à nos piles actuelles Figure 7 page 7, et de nos jours, on utilise encore des piles chimiques avec des solutions alcalines ou non, mais elles sont miniaturisées et étanches, elles ont conservé le nom de pile et un ensemble de piles est appelé batterie de piles, mais on utilise également communément le nom de batterie (tout court) pour désigner un accumulateur.
La lampe à incandescence appelée communément ampoule électrique à incandescence a été inventée en 1879 (améliorée depuis), nous permet de décrire un circuit électrique élémentaire décrit Figure 10 encore utilisé aujourd’hui dans les lampes de poche. Dans l’illustration ci-après qui représente ce circuit électrique élémentaire, si l’on ferme l’interrupteur, le courant (le flux d’électrons) circule du pôle positif de la batterie de piles, passe par l’ampoule qui s’allume et revient vers le pôle négatif de la batterie de piles, dès que l’on ouvre l’interrupteur, le courant ne circule plus et la lampe s’éteint.
Figure 10 : Circuit électrique élémentaire en courant continu
3.1 COMPARAISON HYDRO ÉLECTRIQUE :
Les matériaux conducteurs de l’électricité (tous les métaux à ma connaissance et bien d’autres éléments : carbone, graphite, etc…, certains liquides et certains gaz) sont constitués de molécules dont les atomes possèdent une couche extérieure d’électrons peu nombreux et qui ne sont que très peu attirés par le noyau (appelés “électrons libres”) et ces électrons peuvent passer (sauter) d’une molécule à l’autre et sont remplacés par des électrons de la molécule précédente, ces déplacements constituent le courant électrique.
Figure 11 : Atome de cuivre (métal très bon conducteur de l’électricité)
Le comportement du courant électrique est en de nombreux points, comparable à celui d’un courant hydraulique, à la place d’eau dans un tuyau, ce sont les électrons qui se déplacent dans les matériaux conducteurs, dans la suite de ce chapitre, de nombreuses comparaisons seront faites entre les parties concernant les courants hydrauliques sont écrits en italique vert, et les parties concernant les courants électriques sont écrits en italique bleu quand ils sont comparés.
Cette analogie n’est bien sûr pas totale, mais les nombreuses similitudes peuvent nous aider à comprendre sans chercher à mettre en évidence les différences qui existent. Une des différences essentielles est que l’air est un isolant pour l’électricité (heureusement) alors qu’il ne l’est pas pour l’eau.
La figure ci-après nous permettra de comparer les différentes grandeurs qui régissent les courants électrique et hydraulique, elle représente à gauche : une turbine actionnée par un courant hydraulique, et à droite : un moteur actionné par un courant électrique.
Figure 12 : Deux dispositifs de production de mouvement.
Pour le circuit hydraulique, le générateur est le soleil qui fait évaporer l’eau qui retombe en pluie et quand elle est captée et canalisée, elle peut actionner une turbine.
Pour le circuit électrique le générateur est la batterie (qui peut être de piles ou d’accumulateurs) qui recueille les électrons de son pôle négatif et les amène à son pôle positif (le sens réel du courant électrique est malheureusement le contraire du sens conventionnel, mais pour toutes les explications données ici, le sens conventionnel nous convient parfaitement pour comprendre).
3.1.1 LA DIFFÉRENCE DE POTENTIEL RESSEMBLE À LA DIFFÉRENCE DE
NIVEAU :
Pour qu’un courant d’eau circule spontanément d’un point à un autre, il faut qu’il existe une différence de niveau, de même que pour qu’un courant électrique circule, il faut qu’il existe une différence de potentiel.
On considère la terre (notre planète) comme la référence 0 Volt, cela veut dire neutre électriquement.
Un point d’un circuit électrique peut être à un potentiel positif ou neutre ou négatif (pour le courant continu).
Les orages sont la meilleure illustration de ces différences de potentiel, les nuages se chargent électriquement par le frottement de l’air, ces charges atteignent des valeurs gigantesques, les valeurs données dans l’illustration ci-après sont fantaisistes et seulement destinées à comprendre, mais les valeurs réelles sont aux alentours de 15 à 100 Mégavolts (millions de Volts).
Figure 13 : Différences de potentiel
On peut remarquer que des éclairs ont lieu entre des charges positives et négatives (A et B), puis entre des charges négatives entre elles (B, C et D), et aussi entre une charge (B) et la terre (neutre).
On peut remarquer également qu’il n’y en a pas entre des charges de même signe mais peu différentes. Le nuage A est très éloigné de la terre, très éloigné également du nuage C. Les nuages C et D sont proches mais leur différence de charge est peu importante, donc dans ces cas, l’isolement par l’air est suffisamment rigide.
Cette explication est simpliste, l’étude des phénomènes d’orage est bien plus compliquée que cela (notamment, les nuages ne se chargent pas de manière uniforme, quand on dit qu’un nuage est chargé négativement par exemple c’est que le côté négatif est à proximité, l’autre côté étant chargé positivement).
Des ouvrages scientifiques passionnants y sont consacrés, mais le but ici est comprendre les principes qui génèrent les courants électriques. Il faut donc voir l’illustration qui suit comme une simplification de la réalité.
3.1.2 LA TENSION RESSEMBLE À LA PRESSION :
La différence de potentiel produit une tension, la différence de niveau produit une pression.
La pression se mesure en bars et on comprend que plus la pression est élevée, plus il sera possible d’avoir un grand nombre de litres par minute pour un tuyau d’une section donnée (une plus petite section offre une plus grande résistance au passage de l’eau).
Pour l’électricité, la tension, se mesure en volts et plus la tension est élevée, plus elle pourra provoquer le déplacement d’un grand nombre d’électrons dans un circuit opposant une résistance donnée.
3.1.3 LA RÉSISTANCE AU PASSAGE DES COURANTS :
Le courant d’eau est canalisé par des tuyaux, la résistance au passage de l’eau est fonction de la longueur de la canalisation et de sa section, je ne connais pas son unité de mesure, mais nous nous occupons ici de l’électricité
Le courant électrique est canalisé par les matériaux conducteurs qui opposent une résistance à son passage, cette résistance est fonction du matériau, de sa longueur et de sa section, elle se mesure en ohms (Ω), pour le courant alternatif, c’est l’impédance (qui tient compte des déphasages), également en ohms.
3.1.4 L’INTENSITÉ RESSEMBLE AU DÉBIT :
Pour l’eau, c’est le nombre de litres par minutes, on comprend bien que plus le circuit délivre de litres par minute, plus l’action de l’eau sera grande.
Pour l’électricité, l’intensité est le nombre d’électrons qui circulent en même temps, cela se mesure en ampères, et plus il y a d’électrons qui circulent, plus l’action de l’électricité est grande.
3.1.5 LA PUISSANCE EST LE PRODUIT DE LA TENSION PAR L’INTENSITÉ OU DE LA PRESSION PAR LE DÉBIT :
Pour l’eau, la puissance est fonction de la hauteur de la chute (différence de niveau qui définit la pression) et du débit, il est évident que plus la pression est élevée, et plus le débit est élevé, plus la puissance d’un équipement comme celui représenté figure 2 sera élevée.
Si la pression est constante, pour avoir une puissance plus grande on est obligé d’utiliser des tuyaux plus gros pour avoir un débit plus important et si le diamètre des tuyaux est constant, il faudra une pression plus grande pour faire circuler plus d’eau.
Pour l’électricité, plus la tension et l’intensité sont élevés, plus un moteur électrique par exemple, sera puissant, cela se mesure en Watts et se calcule en multipliant la tension par l’intensité, ce qui s’écrit : P (watts) = U (volts) x I (amperes). Et la tension disponible étant constante (220 Volts), si l’on veut plus de puissance, il faut une intensité plus élevée, c’est à dire des conducteurs de section plus importante.
Attention, ces calculs sont seulement exacts pour le courant continu ! Mais ils sont globalement assez approchants pour le courant alternatif (suffisamment pour la vie courante) cette unité de puissance pour le courant alternatif est le Volt/Ampère et son multiple Kilovolt/Ampère (KVA), mais dans la vie courante : 1 Kilovolt/Ampère = 1 Kilowatt ! Par exemple, un aspirateur qui consomme 5 ampères sous 220 volts a une puissance de 5A x 220V = 1,1 KVA ou 1,1 Kilowatt (pour la suite des explications, nous continuerons à utiliser le Watt avec ses multiples : le Kilowatt et le Mégawatt).
3.2 LE COURANT ALTERNATIF :
En améliorant la machine de Gramme (Dynamo) notamment en remplaçant l’aimant permanent par un électro-aimant, on avait trouvé le moyen de produire une grande quantité de courant électrique mais en 1878, le Belge Zenobe invente l’alternateur (et donc le courant alternatif) le Croate Nikola Tesla l’améliore et dépose en 1888 une série brevets pour l’utiliser dans la distribution d’énergie.
Le plus simple alternateur est encore utilisé pour l’éclairage des bicyclettes, il est généralement actionné par friction sur le flanc du pneu avant ou arrière.
Figure 14 : Alternateur rudimentaire appelé dynamo de vélo
La tension alternative (et par conséquent sa puissance) délivrée par cet appareil est proportionnelle à la vitesse de rotation et surtout au nombre de tours du bobinage. Pour une vitesse de rotation constante (donc une variation de flux magnétique constante), la tension délivrée double si on double le nombre de tours du bobinage, elle est de forme sinusoïdale (tension fonction du temps).
Figure 15 : Tension produite par l’alternateur (avec une vitesse de rotation constante)
3.3 CHOIX CONTINU OU ALTERNATIF POUR LA DISTRIBUTION :
Dans les années 1890, une véritable guerre avait lieu entre la compagnie Edison qui distribuait du courant continu et la compagnie Westinghouse (employeur de Nikola Tesla), tenante du courant alternatif, celle-ci a même failli perdre cette guerre car le 6 août 1890, la première exécution au moyen de la chaise électrique avait tourné au supplice à cause d’une mauvaise évaluation de la tension nécessaire, et cela utilisait le courant alternatif !
Heureusement, les critères techniques ont été plus importants que les critères sentimentaux et l’invention du transformateur par le Français Gaulard a été décisive.
Pour choisir entre le courant continu et le courant alternatif, dans la distribution d’énergie, le problème posé est de transporter une grande quantité d’énergie depuis les centrales électriques vers les utilisateurs.
Si on transportait directement le 220 Volts, utilisé dans les installation domestiques actuelles, cela exigerait des conducteurs démesurés (1 000 fois ceux des lignes à haute tension usuelles puisque ces lignes transportent couramment 220 000 Volts et plus) ! Il a donc fallu trouver le moyen d’élever la tension pour le transport et de l’abaisser pour la consommation.
Quelques notions sont à prendre en considération pour comprendre la nécessité de transporter l’énergie électrique sous des tensions très élevées :
La perte en tension en ligne (on dit aussi chute de tension) est proportionnelle à la longueur de la ligne et à l’intensité, mais elle est indépendante de la tension initiale.
La section des conducteurs est proportionnelle à l’intensité.
La perte de puissance en ligne est proportionnelle au carré de l’intensité
Grâce aux transformateurs, on peut transporter l’énergie sur de grandes distances… Voici un exemple chiffré avec des valeurs usuelles (arrondies pour la simplicité).
Pour transporter seulement 2,2 Mégawatts (2 200 000 Watts, mais on transporte couramment des centaines de mégawatts)
Sous 220 Volts, Il faudrait 10 000 Ampères !
Sous 220 000 Volts il suffit de 10 Ampères
En fixant la densité de courant admise à 10 ampères par mm2 (c’est plausible pour des conducteurs à l’air libre qui ne s’échauffent donc pas trop),
Il faudrait des conducteurs de 1 000 mm2 de section soit 36,5 mm de diamètre pour passer 10 000 Ampères, ces conducteurs pèseraient 8,92 Kg au mètre et il suffirait de conducteurs de 1 mm2 de section soit environ 1,1 mm de diamètre pour 10 Ampères De plus, une chute de tension de 200 Volts par exemple serait inacceptable sur une tension initiale de 220 Volts alors qu’elle est tout à fait insignifiante sur une tension initiale de 220 000 Volts.
Le transport sur de grandes distances s’effectue donc en très haute tension sur les grandes distances jusqu’à 440 000 volts triphasé ! Et en moyenne tension sur les distances moyennes (par exemple vers les villages (10 000 – 30 000 Volts triphasé).
Le courant triphasé est maintenant généralisé, dans le transport d’énergie, il permet d’optimiser l’utilisation des conducteurs, nous avons vu que la magnéto fournit une tension qui varie de positif à négatif en passant par zéro, les conducteurs ne sont donc pas parcourus par le courant en permanence.
En ajoutant un troisième conducteur, on transporte trois fois plus d’énergie, les courants étant décalés, on appelle cela le déphasage, il est de 120° dans le cas du triphasé représenté par la figure suivante.
Figure 16 : Déphasage de 120°
Prenons 3 conducteurs nommés 1, 2 et 3, le courant de la phase A circule entre les conducteurs 1 et 2, celui de la phase B circule entre les conducteurs 2 et 3 et celui de la phase C circule entre les conducteurs 3 et 1
Le transport à grande distance ne se fait qu’en triphasé et il n’est pas question de n’utiliser qu’une seule phase le conducteur neutre est donc inutile car la tension et l’intensité des trois phases sont équilibrées (dans le transport).
Le courant triphasé est également très répandu dans l’industrie, car il est utilisé dans pratiquement tous les moteurs de puissance, mais pour la suite de nos explications, nous continuerons à raisonner sur le courant monophasé qui alimente pratiquement toutes les installations domestiques, et qui utilise un fil de phase et le neutre.
3.4 LES TRANSFORMATEURS :
Le transformateur (monophasé) est constitué d’un circuit magnétique autour duquel sont enroulés deux bobinages avec un nombre de tours différent. La différence des nombres de tours détermine le rapport de transformation. La puissance délivrée après transformation est un peu diminuée à cause du rendement qui n’est pas de 100%, (les pertes sont dues à l’échauffement des bobinages, aux courants de Foucault et aux fuites magnétiques). Il existe plusieurs formes pour les circuits magnétiques des transformateurs, les anciens transformateurs étaient souvent de forme rectangulaire et constitués de tôles de fer doux empilées, c’est la forme qui présente le plus de fuites magnétiques.
Le noyau est en matériau magnétique non conducteur de l’électricité pour éviter les pertes par courants de Foucault, soit il est en tôles isolées par du papier, noyau dit feuilleté, soit il est constitué de ferrite céramique qui rassemble des grains magnétiques noyés dans de la céramique, ce type de noyau permet pratiquement de supprimer les courants de Foucault, et il est particulièrement bien adapté aux fréquences élevées… Mais je ne compte pas faire ici un cours de technologie sur les transformateurs…
Les transformateurs récents sont plus souvent en forme torique (voir ci-après) et leur matériau est généralement la ferrite céramique, ils sont surtout répandus dans les équipements électroniques et musicaux par exemple, ils sont très performants, ont un rendement élevé et ne présentent pratiquement pas de fuites magnétiques, ils ne perturbent donc pas les équipement sensibles..
Figure 17 : Transformateurs
Le bobinage qui reçoit la tension en entrée est appelé primaire, et le bobinage qui délivre la tension en sortie est appelé secondaire, il peut y avoir plusieurs secondaires (c’était souvent le cas du temps de la radio à tubes, mais rarement plusieurs primaires (par souci de simplicité, nous ne parlons ici que du courant monophasé.
Le bobinage (on dit aussi l’enroulement) primaire produit la variation de flux dans le circuit magnétique (puisqu’il est parcouru par un courant alternatif), et le ou les enroulements secondaires recueille(nt) cette variation de flux et délivrent une tension alternative fonction du rapport de transformation.
Un transformateur est dit abaisseur si la tension primaire est supérieure à la tension secondaire et il est dit élévateur dans le cas contraire.
Malgré les contraintes techniques, notamment concernant l’isolement, les transformateurs ont été à l’origine de la distribution d’énergie à grande distance (La Figure 18 montre un poste de transformation haute tension, on peur remarquer en haut les réservoirs d’huile et de liquide réfrigérant).
L’isolement interne des transformateurs est également problématique, les bobinages des transformateurs à haute tension baignent généralement dans l’huile car les conducteurs sont rapprochés notamment les enroulements et il n’y aurait pas assez d’épaisseur d’air entre eux.
Figure 18 : Poste de transformation Haute Tension
Le gros problème de ces valeurs élevées est l’isolement des conducteurs aériens, on peut évaluer la tension des lignes électriques que l’on voit le long des routes de campagne en sachant que la capacité d’isolement des isolateurs (on appelle ça : rigidité diélectrique) est de 5 000 volts par tasse…
Attention, l’air sec est un bon isolant, mais l’air humide l’est déjà moins et quand l’épaisseur de la couche d’air est insuffisante, un arc peut se produire, c’est le “claquage d’isolant”, ça veut dire que le courant réussit à passer au travers de l’isolant et peut faire de gros dégâts.
Pour information, la rigidité diélectrique de l’air (la valeur à partir de laquelle un arc peut se produire) est environ de 30 Kilovolts par centimètre (air sec), la foudre est la meilleure illustration du claquage de l’isolation de l’air et on sait que ses dégâts peuvent être considérables…
Figure 19 : Ligne à 15 000 Volts (isolateurs à 3 tasses) avec dispositif de sectionnement.
Une ligne à moyenne tension (10 000 à 30 000 volts) dessert généralement plusieurs villages, les transformateurs qui abaissent la tension à 220 volts se trouvent souvent en haut d’un poteau à l’arrivée dans le village. Ils sont quelquefois associés à des dispositifs anti-surtension, ces dispositifs ne protègent pas de la foudre proprement dite (rien n’y résiste) mais des surtensions induites à proximité d’un impact de foudre qui peuvent atteindre des centaines de milliers de volts, mais elles sont d’une durée très brève.
Figure 20 : Transformateurs abaisseurs desservant des villages.
4 ACTIONS DU COURANT ÉLECTRIQUE.
Le courant électrique produit trois principales actions.
4.1 L’ÉCHAUFFEMENT :
Le courant qui traverse un conducteur produit toujours un échauffement de celui-ci, proportionnel à la résistance du conducteur et au carré de son intensité, c’est pourquoi on cherche à avoir des conducteurs les plus courts possibles et suffisamment dimensionnés (en section) car toutes les pertes d’énergie se transforment en chaleur (la résistance d’un conducteur est proportionnelle à sa longueur et inversement proportionnelle à sa section).
À contrario, dans la résistance des appareils chauffants le but est de chauffer et on ne peut pas vraiment parler de rendement pour un appareil chauffant puisque toutes les pertes sont en chaleur, le rendement avoisine donc les 100%, les seules pertes sont en lumière (rougeoiement des résistances) par contre, on peut parler d’efficacité, c’est la capacité de communiquer cette chaleur au bon endroit et de façon homogène.
Même pour un appareil chauffant, il faut que ce soit l’appareil qui chauffe lui-même et non pas les conducteurs qui l’alimentent.
C’est pourquoi on définit une densité de courant admissible maximum pour un conducteur en fonction de sa section. Celle-ci est en moyenne de 7 ampères par mm2 pour les conducteurs gainés et aérés mais attention, un prolongateur (rallonge) sur un enrouleur s’échauffe beaucoup plus à cause du manque de ventilation, il faut donc dérouler complètement les prolongateurs si l’on s’en sert à leur densité de courant maximale.
4.1.1 APPAREILS DONT L’ÉLÉMENT CHAUFFANT EST UNE RÉSISTANCE :
(liste non exhaustive)
4.1.1.1 LES RADIATEURS :
À convection naturelle : la chaleur produit naturellement une circulation de l’air (l’air chaud monte à cause de sa densité moindre).
À convection mécanique : (ventilo convecteurs) un ventilateur force la circulation de l’air.
À Infrarouge ou rayonnants : la chaleur n’est pas seulement transmise par l’air, mais également par rayonnement, la résistance est quelquefois apparente, protégée ou non par un tube de quartz et un réflecteur dirige la chaleur, ils sont relativement efficaces, mais ont l’inconvénient de nécessiter un espace libre, on ne doit pas en approcher de matière combustible à moins de 1 mètre.
À inertie sèche ou liquide : ces radiateurs sont généralement à convection naturelle, les résistances sont noyées soit dans du liquide (huile) ou dans un matériau qui accumule la chaleur (céramique, stéatite ou autre), ils ont une efficacité supérieure aux précédents et assurent une meilleure température ressentie grâce à une meilleure répartition dans le temps.
4.1.1.2 LES APPAREILS DE CUISSON :
Fours : avec ou sans fonction “grill”, avec ou sans “chaleur tournante” (ventilation), avec ou sans fonction “pyrolyse” (élimination des graisses par surchauffe prolongée), ou à “catalyse” (un traitement chimique limite l’adhérence des graisses), la ou les résistances chauffent directement les aliments.
Plaques de cuisson en fonte : ce moyen de cuisson a une grande inertie et exigent une surface du récipient parfaitement plane pour obtenir une bonne efficacité, à cause de l’inertie, l’utilisation de ces plaques nécessite une grande habitude pour arrêter la cuisson à temps.
Plaques de cuisson vitro cérame : Elles ont la même exigence que les plaques en fonte pour l’efficacité, mais avec beaucoup moins d’inertie.
4.1.1.3 LES FERS À FRISER, À REPASSER, À SOUDER ETC…
La résistance transmet directement la chaleur à la partie métallique.
4.1.1.4 LES CHAUFFE-EAU À ACCUMULATION :
Appelés communément “cumulus”, La résistance est plongée dans l’eau, ils fonctionnent généralement associés à un dispositif permettant de consommer l’électricité la nuit pour profiter d’un tarif avantageux.
4.1.1.5 LES AMPOULES À INCANDESCENCE :
Dont seulement 10% environ de l’énergie sert à éclairer, le reste est perdu en chaleur, les ampoules à halogène permettent un échauffement encore plus élevé de filament et ont un rendement légèrement supérieur, elles sont censées durer plus longtemps que les ampoules simples grâce à un cycle qui ramène le tungstène (métal composant les filaments) volatilisé sur le filament lui-même mais nous en avons maintenant tous utilisé et pour ma part, je n’ai pas constaté d’augmentation de durée de vie, seulement une nette augmentation de leur prix…
4.1.2 ÉCHAUFFEMENT AUTRE QUE RÉSISTANCE :
4.1.2.1 LES APPAREILS DE SOUDURE À L’ARC :
Le poste de soudure à l’arc électrique n’est autre qu’un transformateur dont le secondaire est prévu pour délivrer une très forte intensité sous une faible tension (quelques volts), Le court circuit entre l’électrode et les pièces à souder produit un arc d’une très grande chaleur capable de faire fondre le métal, l’électrode constitue le métal d’apport, il possède généralement un dispositif de réglage permettant d’adapter l’intensité au diamètre de l’électrode et à l’épaisseur des pièces à souder.
Une nouvelle génération de postes de soudure appelés “Inverter”, font appel à l’électronique, pour la transformation et le réglage, ils permettent d’avoir une tension de départ un peu plus élevée qui permet un amorçage plus efficace (c’était le gros point faible des anciens matériels) et grâce au découpage dont nous parlons au chapitre 6.2.2.2, Figure 41 page 43, la puissance s’adapte avec précision et le transformateur est bien moins important et bien moins lourd car le découpage est cadencé à des fréquences beaucoup plus élevées et les transformateurs en haute fréquence sont beaucoup moins importants.
De plus, ils fournissent un courant continu qui permet un arc plus constant tendant beaucoup moins à se désamorcer.
Figure 21 : Pour l’anecdote : postes de soudure à l’arc…
4.1.2.2 LE CHAUFFAGE DIT “À LA LAME DE RASOIR“:
Ce n’est pas à recommander, mais j’ai pratiqué à l’armée le chauffage de l’eau dans un “casque lourd” (pour faire la lessive, car l’eau ainsi chauffée n’est pas buvable), il s’agit du casque métallique de combat relié au fil neutre du courant d’éclairage (220 volts) rempli d’eau dans laquelle est plongée une lame de rasoir reliée au fil de phase, abstraction faite des dangers d’électrocution auxquels j’ai miraculeusement échappé, l’eau arrive assez vite à ébullition à cause du passage du courant entre la lame de rasoir (qui sert d’électrode et le casque), l’eau pure est un isolant, mais l’eau de ville est chlorée et en tout cas, “non pure”, c’est pour ça que ça marche ! Mais il vaut mieux se contenter d’un appareil appelé thermo plongeur vendu dans le commerce !
Livre approfondie sur l’électricité
2 DÉCOUVERTE DE L’ÉLECTRICITÉ.
Déjà 600 ans avant J.C. les sages avaient remarqué que l’ambre jaune (résine fossilisée) frotté vivement avec un tissu de laine attirait certains corps légers.
Figure 1 : Électrisation par frottement
Puis, par la suite on s’est aperçu que d’autres corps isolants avaient la même propriété et que l’on pouvait frotter l’objet avec d’autres matières, des peaux d’animaux par exemple. L’ambre se dit électron en Grec et on a donné à ce phénomène le nom d’électricité ou d’électrisation, un corps frotté qui attire de petits objets est dit électrisé.
Ce n’est que bien plus tard (vers les années 1800) que l’on a mis en évidence les “deux sortes” d’électricité que l’on appelait électricité résineuse pour celle obtenue avec l’ambre et l’électricité vitreuse pour celle obtenue avec le verre.
Figure 2 : Machine ayant permis les premières expériences en électricité statique
On a aussi remarqué à l’époque que deux corps chargés de la même électricité se repoussent alors que deux corps chargés d’électricités contraires s’attirent, cela a été mis en évidence grâce au pendule électrique, c’était une boule de moelle de sureau (très légère) suspendue qui était attirée ou repoussée par les corps électrisés.
Figure 3 : Pendule électrique
Par la suite, on a découvert ce qu’est réellement l’électrisation, l’explication qui suit est volontairement simpliste, il ne s’agit pas ici ‘un cours de physique nucléaire…
La matière est constituée d’ atomes pour les corps simples : oxygène, hydrogène, cuivre, par exemple et de molécules pour les corps composés : l’eau par exemple qui est constituée de molécules regroupant deux atomes d’hydrogène et un atome d’oxygène.
L’atome est constitué d’un noyau composé de protons et de neutrons entouré d’une ou plusieurs couches (orbites) d’électrons, ces couches sont concentriques mais pas sur le même plan (tout comme les planètes autour des étoiles) mais on les représente souvent sur le même plan pour en détailler le nombre comme dans la Figure 11 page 9.
Quand on frotte l’ambre avec du tissu de laine ou de soie, des électrons sont arrachés par l’ambre au tissu, et l’ambre est alors chargée négativement (excès d’électrons), c’est l’électricité résineuse, cette charge électrique s’appelle potentiel et se mesure en volts.
L’ambre étant un isolant, cette charge reste en place et n’est pas dispersée dans le reste de l’objet, elle reste en surface, par contre, un objet électrisé peut transmettre sa charge par contact avec un autre objet, c’est ce qui arrive avec le pendule électrique (neutre au départ) qui est d’abord attiré par l’objet électrisé puis est repoussé par lui après le contact car il est alors chargé de la même électricité et les électricités de même signe se repoussent alors que les électricités contraire s’attirent (chaque électricité attire un corps neutre).
3 LE COURANT ÉLECTRIQUE.
Nous venons de survoler les expériences d’électricité statique, ce sont elles qui ont été à l’origine des développements qui ont amené cette extraordinaire révolution technologique qu’a apporté l’exploitation des effets du courant électrique.
La première source de courant continu a été la pile de Volta du nom de son inventeur elle a été créée en 1800, elle était constituée comme son nom (pile) l’indique d’un empilage de plaques circulaires de zinc (pôle négatif), et de cuivre (pôle positif) séparées par une couche de tissu imprégné d’eau salée constituant ce que l’on nomme l’électrolyte, la tension disponible (mesurée en volts) était proportionnelle au nombre d’éléments zinc+électrolyte+cuivre.
Figure 4 : Pile de Volta
Avec le courant continu, on a découvert les effets magnétiques de l’électricité : Le courant continu parcourant un solénoïde (bobinage) provoque un champ (flux) magnétique (aimantation), si on place un noyau en métal ferreux au centre de ce bobinage on obtient un électro-aimant et suivant la constitution de ce noyau, l’aimantation peut être permanente ou non.
Après des tâtonnements, en essayant de produire de l’électricité en mettant un aimant à l’intérieur d’un bobinage, on a découvert qu’une c’est la variation du flux magnétique à l’intérieur du bobinage (et non pas la seule présence de l’aimant) qui produit une tension électrique proportionnelle à l’importance de cette variation et à sa rapidité.
Figure 5 : Découverte de l’induction par le mouvement d’un aimant
Ces découvertes ont amené à la fabrication du premier dispositif de production de courant électrique avec du mouvement : La machine de Gramme, l’ancêtre de la dynamo dans laquelle c’est l’aimant qui est fixe et l’ensemble de bobinages qui tourne à l’intérieur du flux magnétique et qui délivre une tension continue recueillie sur le collecteur par deux lames de cuivre souple appelées “balais”, puis, les balais en cuivres furent remplacés par du graphite et on les appelle maintenant les charbons.
Figure 6 : Machine de Gramme et son Collecteur grossi vu en coupe
Les recherches sur l’induction dans les bobinages ont également mené à la conception des transformateurs (induction dans un bobinage par un autre).
Figure 7 : Induction dans un bobinage par un autre
Dans cette expérience, c’est encore le mouvement qui est à l’origine du courant produit par l’induction, mais l’ingénieur Ruhmkorff a inventé en 1851 une bobine d’induction qui porte son nom, équipée d’un mécanisme vibreur : Le courant dans le bobinage inducteur passe par un contact et une lame de ressort, qui coupe le circuit, quand elle est attirée par le noyau, et le rétablit quand elle est relâchée.
La bobine de Ruhmkorff est le véritable ancêtre du transformateur, elle permettait déjà à l’époque de produire des étincelles pouvant atteindre 30 cm de longueur en partant d’une tension de quelques volts produite par une batterie de piles, elle est aussi utilisée dans l’automobile (bobine d’allumage) où le courant était pulsé au rythme du moteur par le rupteur d’allumage (appelé “les vis platinées”).
Le courant ainsi produit n’est pas du courant alternatif, mais du courant dit “pulsé”, il permet quand même l’induction car le flux magnétique produit est variable et ce sont les variations de flux qui sont à l’origine de l’induction.
Figure 8 : Principe de la bobine de Ruhmkorff
Figure 9 : Extrait concernant la bobine de Ruhmkorff
La pile de Volta a été améliorée par la suite, on voit un élément de pile de Daniel déjà plus ressemblante à nos piles actuelles Figure 7 page 7, et de nos jours, on utilise encore des piles chimiques avec des solutions alcalines ou non, mais elles sont miniaturisées et étanches, elles ont conservé le nom de pile et un ensemble de piles est appelé batterie de piles, mais on utilise également communément le nom de batterie (tout court) pour désigner un accumulateur.
La lampe à incandescence appelée communément ampoule électrique à incandescence a été inventée en 1879 (améliorée depuis), nous permet de décrire un circuit électrique élémentaire décrit Figure 10 encore utilisé aujourd’hui dans les lampes de poche. Dans l’illustration ci-après qui représente ce circuit électrique élémentaire, si l’on ferme l’interrupteur, le courant (le flux d’électrons) circule du pôle positif de la batterie de piles, passe par l’ampoule qui s’allume et revient vers le pôle négatif de la batterie de piles, dès que l’on ouvre l’interrupteur, le courant ne circule plus et la lampe s’éteint.
Figure 10 : Circuit électrique élémentaire en courant continu
3.1 COMPARAISON HYDRO ÉLECTRIQUE :
Les matériaux conducteurs de l’électricité (tous les métaux à ma connaissance et bien d’autres éléments : carbone, graphite, etc…, certains liquides et certains gaz) sont constitués de molécules dont les atomes possèdent une couche extérieure d’électrons peu nombreux et qui ne sont que très peu attirés par le noyau (appelés “électrons libres”) et ces électrons peuvent passer (sauter) d’une molécule à l’autre et sont remplacés par des électrons de la molécule précédente, ces déplacements constituent le courant électrique.
Figure 11 : Atome de cuivre (métal très bon conducteur de l’électricité)
Le comportement du courant électrique est en de nombreux points, comparable à celui d’un courant hydraulique, à la place d’eau dans un tuyau, ce sont les électrons qui se déplacent dans les matériaux conducteurs, dans la suite de ce chapitre, de nombreuses comparaisons seront faites entre les parties concernant les courants hydrauliques sont écrits en italique vert, et les parties concernant les courants électriques sont écrits en italique bleu quand ils sont comparés.
Cette analogie n’est bien sûr pas totale, mais les nombreuses similitudes peuvent nous aider à comprendre sans chercher à mettre en évidence les différences qui existent. Une des différences essentielles est que l’air est un isolant pour l’électricité (heureusement) alors qu’il ne l’est pas pour l’eau.
La figure ci-après nous permettra de comparer les différentes grandeurs qui régissent les courants électrique et hydraulique, elle représente à gauche : une turbine actionnée par un courant hydraulique, et à droite : un moteur actionné par un courant électrique.
Figure 12 : Deux dispositifs de production de mouvement.
Pour le circuit hydraulique, le générateur est le soleil qui fait évaporer l’eau qui retombe en pluie et quand elle est captée et canalisée, elle peut actionner une turbine.
Pour le circuit électrique le générateur est la batterie (qui peut être de piles ou d’accumulateurs) qui recueille les électrons de son pôle négatif et les amène à son pôle positif (le sens réel du courant électrique est malheureusement le contraire du sens conventionnel, mais pour toutes les explications données ici, le sens conventionnel nous convient parfaitement pour comprendre).
3.1.1 LA DIFFÉRENCE DE POTENTIEL RESSEMBLE À LA DIFFÉRENCE DE
NIVEAU :
Pour qu’un courant d’eau circule spontanément d’un point à un autre, il faut qu’il existe une différence de niveau, de même que pour qu’un courant électrique circule, il faut qu’il existe une différence de potentiel.
On considère la terre (notre planète) comme la référence 0 Volt, cela veut dire neutre électriquement.
Un point d’un circuit électrique peut être à un potentiel positif ou neutre ou négatif (pour le courant continu).
Les orages sont la meilleure illustration de ces différences de potentiel, les nuages se chargent électriquement par le frottement de l’air, ces charges atteignent des valeurs gigantesques, les valeurs données dans l’illustration ci-après sont fantaisistes et seulement destinées à comprendre, mais les valeurs réelles sont aux alentours de 15 à 100 Mégavolts (millions de Volts).
Figure 13 : Différences de potentiel
On peut remarquer que des éclairs ont lieu entre des charges positives et négatives (A et B), puis entre des charges négatives entre elles (B, C et D), et aussi entre une charge (B) et la terre (neutre).
On peut remarquer également qu’il n’y en a pas entre des charges de même signe mais peu différentes. Le nuage A est très éloigné de la terre, très éloigné également du nuage C. Les nuages C et D sont proches mais leur différence de charge est peu importante, donc dans ces cas, l’isolement par l’air est suffisamment rigide.
Cette explication est simpliste, l’étude des phénomènes d’orage est bien plus compliquée que cela (notamment, les nuages ne se chargent pas de manière uniforme, quand on dit qu’un nuage est chargé négativement par exemple c’est que le côté négatif est à proximité, l’autre côté étant chargé positivement).
Des ouvrages scientifiques passionnants y sont consacrés, mais le but ici est comprendre les principes qui génèrent les courants électriques. Il faut donc voir l’illustration qui suit comme une simplification de la réalité.
3.1.2 LA TENSION RESSEMBLE À LA PRESSION :
La différence de potentiel produit une tension, la différence de niveau produit une pression.
La pression se mesure en bars et on comprend que plus la pression est élevée, plus il sera possible d’avoir un grand nombre de litres par minute pour un tuyau d’une section donnée (une plus petite section offre une plus grande résistance au passage de l’eau).
Pour l’électricité, la tension, se mesure en volts et plus la tension est élevée, plus elle pourra provoquer le déplacement d’un grand nombre d’électrons dans un circuit opposant une résistance donnée.
3.1.3 LA RÉSISTANCE AU PASSAGE DES COURANTS :
Le courant d’eau est canalisé par des tuyaux, la résistance au passage de l’eau est fonction de la longueur de la canalisation et de sa section, je ne connais pas son unité de mesure, mais nous nous occupons ici de l’électricité
Le courant électrique est canalisé par les matériaux conducteurs qui opposent une résistance à son passage, cette résistance est fonction du matériau, de sa longueur et de sa section, elle se mesure en ohms (Ω), pour le courant alternatif, c’est l’impédance (qui tient compte des déphasages), également en ohms.
3.1.4 L’INTENSITÉ RESSEMBLE AU DÉBIT :
Pour l’eau, c’est le nombre de litres par minutes, on comprend bien que plus le circuit délivre de litres par minute, plus l’action de l’eau sera grande.
Pour l’électricité, l’intensité est le nombre d’électrons qui circulent en même temps, cela se mesure en ampères, et plus il y a d’électrons qui circulent, plus l’action de l’électricité est grande.
3.1.5 LA PUISSANCE EST LE PRODUIT DE LA TENSION PAR L’INTENSITÉ OU DE LA PRESSION PAR LE DÉBIT :
Pour l’eau, la puissance est fonction de la hauteur de la chute (différence de niveau qui définit la pression) et du débit, il est évident que plus la pression est élevée, et plus le débit est élevé, plus la puissance d’un équipement comme celui représenté figure 2 sera élevée.
Si la pression est constante, pour avoir une puissance plus grande on est obligé d’utiliser des tuyaux plus gros pour avoir un débit plus important et si le diamètre des tuyaux est constant, il faudra une pression plus grande pour faire circuler plus d’eau.
Pour l’électricité, plus la tension et l’intensité sont élevés, plus un moteur électrique par exemple, sera puissant, cela se mesure en Watts et se calcule en multipliant la tension par l’intensité, ce qui s’écrit : P (watts) = U (volts) x I (amperes). Et la tension disponible étant constante (220 Volts), si l’on veut plus de puissance, il faut une intensité plus élevée, c’est à dire des conducteurs de section plus importante.
Attention, ces calculs sont seulement exacts pour le courant continu ! Mais ils sont globalement assez approchants pour le courant alternatif (suffisamment pour la vie courante) cette unité de puissance pour le courant alternatif est le Volt/Ampère et son multiple Kilovolt/Ampère (KVA), mais dans la vie courante : 1 Kilovolt/Ampère = 1 Kilowatt ! Par exemple, un aspirateur qui consomme 5 ampères sous 220 volts a une puissance de 5A x 220V = 1,1 KVA ou 1,1 Kilowatt (pour la suite des explications, nous continuerons à utiliser le Watt avec ses multiples : le Kilowatt et le Mégawatt).
3.2 LE COURANT ALTERNATIF :
En améliorant la machine de Gramme (Dynamo) notamment en remplaçant l’aimant permanent par un électro-aimant, on avait trouvé le moyen de produire une grande quantité de courant électrique mais en 1878, le Belge Zenobe invente l’alternateur (et donc le courant alternatif) le Croate Nikola Tesla l’améliore et dépose en 1888 une série brevets pour l’utiliser dans la distribution d’énergie.
Le plus simple alternateur est encore utilisé pour l’éclairage des bicyclettes, il est généralement actionné par friction sur le flanc du pneu avant ou arrière.
Figure 14 : Alternateur rudimentaire appelé dynamo de vélo
La tension alternative (et par conséquent sa puissance) délivrée par cet appareil est proportionnelle à la vitesse de rotation et surtout au nombre de tours du bobinage. Pour une vitesse de rotation constante (donc une variation de flux magnétique constante), la tension délivrée double si on double le nombre de tours du bobinage, elle est de forme sinusoïdale (tension fonction du temps).
Figure 15 : Tension produite par l’alternateur (avec une vitesse de rotation constante)
3.3 CHOIX CONTINU OU ALTERNATIF POUR LA DISTRIBUTION :
Dans les années 1890, une véritable guerre avait lieu entre la compagnie Edison qui distribuait du courant continu et la compagnie Westinghouse (employeur de Nikola Tesla), tenante du courant alternatif, celle-ci a même failli perdre cette guerre car le 6 août 1890, la première exécution au moyen de la chaise électrique avait tourné au supplice à cause d’une mauvaise évaluation de la tension nécessaire, et cela utilisait le courant alternatif !
Heureusement, les critères techniques ont été plus importants que les critères sentimentaux et l’invention du transformateur par le Français Gaulard a été décisive.
Pour choisir entre le courant continu et le courant alternatif, dans la distribution d’énergie, le problème posé est de transporter une grande quantité d’énergie depuis les centrales électriques vers les utilisateurs.
Si on transportait directement le 220 Volts, utilisé dans les installation domestiques actuelles, cela exigerait des conducteurs démesurés (1 000 fois ceux des lignes à haute tension usuelles puisque ces lignes transportent couramment 220 000 Volts et plus) ! Il a donc fallu trouver le moyen d’élever la tension pour le transport et de l’abaisser pour la consommation.
Quelques notions sont à prendre en considération pour comprendre la nécessité de transporter l’énergie électrique sous des tensions très élevées :
La perte en tension en ligne (on dit aussi chute de tension) est proportionnelle à la longueur de la ligne et à l’intensité, mais elle est indépendante de la tension initiale.
La section des conducteurs est proportionnelle à l’intensité.
La perte de puissance en ligne est proportionnelle au carré de l’intensité
Grâce aux transformateurs, on peut transporter l’énergie sur de grandes distances… Voici un exemple chiffré avec des valeurs usuelles (arrondies pour la simplicité).
Pour transporter seulement 2,2 Mégawatts (2 200 000 Watts, mais on transporte couramment des centaines de mégawatts)
Sous 220 Volts, Il faudrait 10 000 Ampères !
Sous 220 000 Volts il suffit de 10 Ampères
En fixant la densité de courant admise à 10 ampères par mm2 (c’est plausible pour des conducteurs à l’air libre qui ne s’échauffent donc pas trop),
Il faudrait des conducteurs de 1 000 mm2 de section soit 36,5 mm de diamètre pour passer 10 000 Ampères, ces conducteurs pèseraient 8,92 Kg au mètre et il suffirait de conducteurs de 1 mm2 de section soit environ 1,1 mm de diamètre pour 10 Ampères De plus, une chute de tension de 200 Volts par exemple serait inacceptable sur une tension initiale de 220 Volts alors qu’elle est tout à fait insignifiante sur une tension initiale de 220 000 Volts.
Le transport sur de grandes distances s’effectue donc en très haute tension sur les grandes distances jusqu’à 440 000 volts triphasé ! Et en moyenne tension sur les distances moyennes (par exemple vers les villages (10 000 – 30 000 Volts triphasé).
Le courant triphasé est maintenant généralisé, dans le transport d’énergie, il permet d’optimiser l’utilisation des conducteurs, nous avons vu que la magnéto fournit une tension qui varie de positif à négatif en passant par zéro, les conducteurs ne sont donc pas parcourus par le courant en permanence.
En ajoutant un troisième conducteur, on transporte trois fois plus d’énergie, les courants étant décalés, on appelle cela le déphasage, il est de 120° dans le cas du triphasé représenté par la figure suivante.
Figure 16 : Déphasage de 120°
Prenons 3 conducteurs nommés 1, 2 et 3, le courant de la phase A circule entre les conducteurs 1 et 2, celui de la phase B circule entre les conducteurs 2 et 3 et celui de la phase C circule entre les conducteurs 3 et 1
Le transport à grande distance ne se fait qu’en triphasé et il n’est pas question de n’utiliser qu’une seule phase le conducteur neutre est donc inutile car la tension et l’intensité des trois phases sont équilibrées (dans le transport).
Le courant triphasé est également très répandu dans l’industrie, car il est utilisé dans pratiquement tous les moteurs de puissance, mais pour la suite de nos explications, nous continuerons à raisonner sur le courant monophasé qui alimente pratiquement toutes les installations domestiques, et qui utilise un fil de phase et le neutre.
3.4 LES TRANSFORMATEURS :
Le transformateur (monophasé) est constitué d’un circuit magnétique autour duquel sont enroulés deux bobinages avec un nombre de tours différent. La différence des nombres de tours détermine le rapport de transformation. La puissance délivrée après transformation est un peu diminuée à cause du rendement qui n’est pas de 100%, (les pertes sont dues à l’échauffement des bobinages, aux courants de Foucault et aux fuites magnétiques). Il existe plusieurs formes pour les circuits magnétiques des transformateurs, les anciens transformateurs étaient souvent de forme rectangulaire et constitués de tôles de fer doux empilées, c’est la forme qui présente le plus de fuites magnétiques.
Le noyau est en matériau magnétique non conducteur de l’électricité pour éviter les pertes par courants de Foucault, soit il est en tôles isolées par du papier, noyau dit feuilleté, soit il est constitué de ferrite céramique qui rassemble des grains magnétiques noyés dans de la céramique, ce type de noyau permet pratiquement de supprimer les courants de Foucault, et il est particulièrement bien adapté aux fréquences élevées… Mais je ne compte pas faire ici un cours de technologie sur les transformateurs…
Les transformateurs récents sont plus souvent en forme torique (voir ci-après) et leur matériau est généralement la ferrite céramique, ils sont surtout répandus dans les équipements électroniques et musicaux par exemple, ils sont très performants, ont un rendement élevé et ne présentent pratiquement pas de fuites magnétiques, ils ne perturbent donc pas les équipement sensibles..
Figure 17 : Transformateurs
Le bobinage qui reçoit la tension en entrée est appelé primaire, et le bobinage qui délivre la tension en sortie est appelé secondaire, il peut y avoir plusieurs secondaires (c’était souvent le cas du temps de la radio à tubes, mais rarement plusieurs primaires (par souci de simplicité, nous ne parlons ici que du courant monophasé.
Le bobinage (on dit aussi l’enroulement) primaire produit la variation de flux dans le circuit magnétique (puisqu’il est parcouru par un courant alternatif), et le ou les enroulements secondaires recueille(nt) cette variation de flux et délivrent une tension alternative fonction du rapport de transformation.
Un transformateur est dit abaisseur si la tension primaire est supérieure à la tension secondaire et il est dit élévateur dans le cas contraire.
Malgré les contraintes techniques, notamment concernant l’isolement, les transformateurs ont été à l’origine de la distribution d’énergie à grande distance (La Figure 18 montre un poste de transformation haute tension, on peur remarquer en haut les réservoirs d’huile et de liquide réfrigérant).
L’isolement interne des transformateurs est également problématique, les bobinages des transformateurs à haute tension baignent généralement dans l’huile car les conducteurs sont rapprochés notamment les enroulements et il n’y aurait pas assez d’épaisseur d’air entre eux.
Figure 18 : Poste de transformation Haute Tension
Le gros problème de ces valeurs élevées est l’isolement des conducteurs aériens, on peut évaluer la tension des lignes électriques que l’on voit le long des routes de campagne en sachant que la capacité d’isolement des isolateurs (on appelle ça : rigidité diélectrique) est de 5 000 volts par tasse…
Attention, l’air sec est un bon isolant, mais l’air humide l’est déjà moins et quand l’épaisseur de la couche d’air est insuffisante, un arc peut se produire, c’est le “claquage d’isolant”, ça veut dire que le courant réussit à passer au travers de l’isolant et peut faire de gros dégâts.
Pour information, la rigidité diélectrique de l’air (la valeur à partir de laquelle un arc peut se produire) est environ de 30 Kilovolts par centimètre (air sec), la foudre est la meilleure illustration du claquage de l’isolation de l’air et on sait que ses dégâts peuvent être considérables…
Figure 19 : Ligne à 15 000 Volts (isolateurs à 3 tasses) avec dispositif de sectionnement.
Une ligne à moyenne tension (10 000 à 30 000 volts) dessert généralement plusieurs villages, les transformateurs qui abaissent la tension à 220 volts se trouvent souvent en haut d’un poteau à l’arrivée dans le village. Ils sont quelquefois associés à des dispositifs anti-surtension, ces dispositifs ne protègent pas de la foudre proprement dite (rien n’y résiste) mais des surtensions induites à proximité d’un impact de foudre qui peuvent atteindre des centaines de milliers de volts, mais elles sont d’une durée très brève.
Figure 20 : Transformateurs abaisseurs desservant des villages.
4 ACTIONS DU COURANT ÉLECTRIQUE.
Le courant électrique produit trois principales actions.
4.1 L’ÉCHAUFFEMENT :
Le courant qui traverse un conducteur produit toujours un échauffement de celui-ci, proportionnel à la résistance du conducteur et au carré de son intensité, c’est pourquoi on cherche à avoir des conducteurs les plus courts possibles et suffisamment dimensionnés (en section) car toutes les pertes d’énergie se transforment en chaleur (la résistance d’un conducteur est proportionnelle à sa longueur et inversement proportionnelle à sa section).
À contrario, dans la résistance des appareils chauffants le but est de chauffer et on ne peut pas vraiment parler de rendement pour un appareil chauffant puisque toutes les pertes sont en chaleur, le rendement avoisine donc les 100%, les seules pertes sont en lumière (rougeoiement des résistances) par contre, on peut parler d’efficacité, c’est la capacité de communiquer cette chaleur au bon endroit et de façon homogène.
Même pour un appareil chauffant, il faut que ce soit l’appareil qui chauffe lui-même et non pas les conducteurs qui l’alimentent.
C’est pourquoi on définit une densité de courant admissible maximum pour un conducteur en fonction de sa section. Celle-ci est en moyenne de 7 ampères par mm2 pour les conducteurs gainés et aérés mais attention, un prolongateur (rallonge) sur un enrouleur s’échauffe beaucoup plus à cause du manque de ventilation, il faut donc dérouler complètement les prolongateurs si l’on s’en sert à leur densité de courant maximale.
4.1.1 APPAREILS DONT L’ÉLÉMENT CHAUFFANT EST UNE RÉSISTANCE :
(liste non exhaustive)
4.1.1.1 LES RADIATEURS :
À convection naturelle : la chaleur produit naturellement une circulation de l’air (l’air chaud monte à cause de sa densité moindre).
À convection mécanique : (ventilo convecteurs) un ventilateur force la circulation de l’air.
À Infrarouge ou rayonnants : la chaleur n’est pas seulement transmise par l’air, mais également par rayonnement, la résistance est quelquefois apparente, protégée ou non par un tube de quartz et un réflecteur dirige la chaleur, ils sont relativement efficaces, mais ont l’inconvénient de nécessiter un espace libre, on ne doit pas en approcher de matière combustible à moins de 1 mètre.
À inertie sèche ou liquide : ces radiateurs sont généralement à convection naturelle, les résistances sont noyées soit dans du liquide (huile) ou dans un matériau qui accumule la chaleur (céramique, stéatite ou autre), ils ont une efficacité supérieure aux précédents et assurent une meilleure température ressentie grâce à une meilleure répartition dans le temps.
4.1.1.2 LES APPAREILS DE CUISSON :
Fours : avec ou sans fonction “grill”, avec ou sans “chaleur tournante” (ventilation), avec ou sans fonction “pyrolyse” (élimination des graisses par surchauffe prolongée), ou à “catalyse” (un traitement chimique limite l’adhérence des graisses), la ou les résistances chauffent directement les aliments.
Plaques de cuisson en fonte : ce moyen de cuisson a une grande inertie et exigent une surface du récipient parfaitement plane pour obtenir une bonne efficacité, à cause de l’inertie, l’utilisation de ces plaques nécessite une grande habitude pour arrêter la cuisson à temps.
Plaques de cuisson vitro cérame : Elles ont la même exigence que les plaques en fonte pour l’efficacité, mais avec beaucoup moins d’inertie.
4.1.1.3 LES FERS À FRISER, À REPASSER, À SOUDER ETC…
La résistance transmet directement la chaleur à la partie métallique.
4.1.1.4 LES CHAUFFE-EAU À ACCUMULATION :
Appelés communément “cumulus”, La résistance est plongée dans l’eau, ils fonctionnent généralement associés à un dispositif permettant de consommer l’électricité la nuit pour profiter d’un tarif avantageux.
4.1.1.5 LES AMPOULES À INCANDESCENCE :
Dont seulement 10% environ de l’énergie sert à éclairer, le reste est perdu en chaleur, les ampoules à halogène permettent un échauffement encore plus élevé de filament et ont un rendement légèrement supérieur, elles sont censées durer plus longtemps que les ampoules simples grâce à un cycle qui ramène le tungstène (métal composant les filaments) volatilisé sur le filament lui-même mais nous en avons maintenant tous utilisé et pour ma part, je n’ai pas constaté d’augmentation de durée de vie, seulement une nette augmentation de leur prix…
4.1.2 ÉCHAUFFEMENT AUTRE QUE RÉSISTANCE :
4.1.2.1 LES APPAREILS DE SOUDURE À L’ARC :
Le poste de soudure à l’arc électrique n’est autre qu’un transformateur dont le secondaire est prévu pour délivrer une très forte intensité sous une faible tension (quelques volts), Le court circuit entre l’électrode et les pièces à souder produit un arc d’une très grande chaleur capable de faire fondre le métal, l’électrode constitue le métal d’apport, il possède généralement un dispositif de réglage permettant d’adapter l’intensité au diamètre de l’électrode et à l’épaisseur des pièces à souder.
Une nouvelle génération de postes de soudure appelés “Inverter”, font appel à l’électronique, pour la transformation et le réglage, ils permettent d’avoir une tension de départ un peu plus élevée qui permet un amorçage plus efficace (c’était le gros point faible des anciens matériels) et grâce au découpage dont nous parlons au chapitre 6.2.2.2, Figure 41 page 43, la puissance s’adapte avec précision et le transformateur est bien moins important et bien moins lourd car le découpage est cadencé à des fréquences beaucoup plus élevées et les transformateurs en haute fréquence sont beaucoup moins importants.
De plus, ils fournissent un courant continu qui permet un arc plus constant tendant beaucoup moins à se désamorcer.
Figure 21 : Pour l’anecdote : postes de soudure à l’arc…
4.1.2.2 LE CHAUFFAGE DIT “À LA LAME DE RASOIR“:
Ce n’est pas à recommander, mais j’ai pratiqué à l’armée le chauffage de l’eau dans un “casque lourd” (pour faire la lessive, car l’eau ainsi chauffée n’est pas buvable), il s’agit du casque métallique de combat relié au fil neutre du courant d’éclairage (220 volts) rempli d’eau dans laquelle est plongée une lame de rasoir reliée au fil de phase, abstraction faite des dangers d’électrocution auxquels j’ai miraculeusement échappé, l’eau arrive assez vite à ébullition à cause du passage du courant entre la lame de rasoir (qui sert d’électrode et le casque), l’eau pure est un isolant, mais l’eau de ville est chlorée et en tout cas, “non pure”, c’est pour ça que ça marche ! Mais il vaut mieux se contenter d’un appareil appelé thermo plongeur vendu dans le commerce !
Aucun commentaire:
Enregistrer un commentaire
bienvenu