Lois de l'électricité

 Lois de l'électricité

L'électricité est régie par des principes de base et des lois qui permettent de bien comprendre le fonctionnement du système électrique.

Une bonne connaissance en est essentielle pour effectuer un travail de qualité et sécuritaire, que ce soit sur des composants simples ou sur des circuits complexes.

On peut facilement comparer quelqu'un qui travaille avec l'électricité sans notions de base à une personne qui conduit une automobile:

- sans connaître le code de la route;

- sans connaître les principes de base du fonctionnement d'une voiture.

Dans les deux cas, le résultat pourrait s'avérer désastreux.

Cette étude porte sur les divers principes de base en électricité:

- le courant;

- la tension;

- la résistance;

- la loi d'ohm;

- les calculs de puissance et d'énergie.

L'Electricité

L'électricité est une forme d'énergie produite par des charges négatives qu'on appelle électrons.

S'il était possible de la voir, on constaterait que les atomes se composent généralement d'un nombre égal d'électrons (charge négative) et de protons (charge positive).

La figure 1.0 présente l'atome d'hélium.

Les atomes possèdent alors une charge électriquement neutre. La figure 1.1 présente l'atome d'aluminium, catégorisé comme étant un matériau conducteur.

Figure 1.1     Structure d'un atome d'aluminium.

Pour générer de l'électricité dans un conducteur, il suffit d'appliquer une force extérieure pour provoquer le déplacement des électrons du cercle extérieur de l'atome (électrons libres) et ainsi déséquilibrer la charge électrique des atomes qui composent le conducteur.

On peut le faire :

- chimiquement, comme dans les accumulateurs et les piles ;

- mécaniquement, comme dans les alternateurs et les dynamos ;

- par effet thermique, comme dans les thermocouples ;

- par effet optique, comme dans les cellules photoélectriques.

L'électricité n'est pas une énergie que l'on peut utiliser directement. Elle est transformée.

La figure 1.2 présente un tableau de quelques-unes des transformations qui rendent l'énergie électrique utilisable.

Figure 1.2     Transformations de l'énergie électrique.

Le courant électrique

Le courant électrique peut se définir comme étant le mouvement d'ensemble ou déplacement de charges électriques dans un matériau conducteur comme le cuivre, l'aluminium ou l'or.

Figure 1.3     Comparaison entre le courant et le débit.

Pour mieux comprendre ce qu'est le courant électrique, on peut le comparer au débit d'un liquide dans un tuyau (figure 1.3).

Le débit hydraulique est mesuré par le volume de liquide passant à un endroit précis pendant un certain temps, par exemple, mètre cubes par seconde ().

Le courant électrique, qu'on identifie par la lettre I, est pour sa part mesuré en ampère dont le symbole est A.

Un ampère correspond au passage de 6,2 milliards de milliards d'électrons par seconde (6,2 x 10¹⁸).

Vous devez noter qu'il existe d'autres termes pour identifier le courant électrique ; ce sont : ampérage ou intensité.

La puissance électrique

La puissance électrique est la mesure qui détermine la quantité de travail fournie pendant un temps donné.

On identifie la puissance par la lettre P et les unités de mesure généralement utilisées sont le watt (W) dans le système international et le cheval (ch) dans le système français (ou le horse-power (hp) dans le système anglais).

La figure 1.10 présente le tableau d'équivalence entre les différentes mesures de la puissance.

Par exemple, si on désire connaître, en watts, la puissance d'un moteur de 8 ch, il suffit de multiplier la valeur en ch par 735,5.

Figure 1.10   Tableau d'équivalence de la puissance.

8 ch x 735,5  = 5 884 W ou 5,884 kW

On utilise généralement le watt et le kilowatt pour exprimer la puissance électrique.

Calcul de la puissance

La formule généralement utilisée pour calculer la puissance en watt (W) est :

Puissance = Tension x Courant

P = U x I

On peut donc, grâce à cette équation, calculer la puissance dans un élément qui aura une tension à ses bornes de 12 V et un courant de 2 A :

P = UI

P = 12 V x 2 A

P = 24 W

La loi d'ohm, que vous avez vue précédemment, permet de transformer l'équation de la puissance pour la rendre plus versatile. La figure 1.11 montre les équations transformées pour calculer la puissance.

Exemple

Quelle sera la puissance, dans une résistance de 2 ohms, si la tension à ses bornes est de 6 volts ?

Solution 1

On commence par trouver le courant à l'aide de la loi d'ohm :

Et on calcule par la suite la puissance :

P = UI = 6 V x 3 A = 18 W

Solution 2

On calcule directement la puissance grâce à l'équation de puissance modifiée de la figure 1.11 :

Vous pouvez constater que les deux équations donnent le même résultat, soit 18 watts.

La solution 2 est cependant beaucoup plus rapide.

Figure 1.11   Équations pour calculer la puissance.

Figure 1.12   Ordres de grandeur de puissances.

La tension électrique

La tension électrique, qu'on appelle également:

- voltage;

- différence de potentiel;

- force électromotrice,

se compare à la pression hydraulique.

La lettre U représente la tension qui se mesure en volts, dont le symbole est V.

Le volt mesure la quantité d'énergie nécessaire pour déplacer une certaine quantité d'électrons entre deux points.

La tension, contrairement au courant, doit donc être mesurée entre deux points, c'est pourquoi on l'appelle aussi différence de potentiel.

On peut observer, sur la figure 1.4, qu'à l'extrémité où l'on retrouve le plus d'électrons, il y a un signe - et qu'on utilise le signe + de l'autre côté.

Figure 1.4     Représentation de la tension

Ces signes servent à identifier la polarité de la tension. Cette polarité est utilisée pour déterminer le sens du déplacement des électrons, qui se dirigent de la borne négative vers la borne positive.

Figure 1.5     Sens du courant.

La résistance

La résistance est l'élément de base d'un circuit électrique.

La lettre R sert à identifier cet élément, que ce soit dans un circuit ou dans des calculs.

L'unité utilisée pour mesurer la résistance électrique est l'ohm, dont le symbole est   (oméga).

La figure 1.6 présente un exemple de résistance avec son symbole.

Comme pour la tension et le courant, il est possible d'établir une analogie entre l'électricité et l'hydraulique en comparant la résistance électrique à une restriction en hydraulique (changement du diamètre du tuyau).

La résistance électrique est donc l'opposition d'un composant au passage du courant électrique.

Figure 1.6     Résistance.

La loi d'ohm

La loi d'ohm est la base du calcul de circuit électrique.

Le principe de cette loi est que le rapport de la tension appliquée entre les extrémités d'un conducteur donné et le courant qui le parcourt est un nombre constant.

C'est ce nombre qui est appelé la résistance. On peut exprimer cette loi par la formule qui suit :

R= Tension/courant

R=U/I

Exemple

Un élément (figure 1.7) possède, à ses bornes, une différence de potentiel de 12 V. Un courant de 4 A passe en même temps dans cet élément. Quelle en est la résistance ?

Figure 1.7     Loi d'ohm.

Solution

Où U = 12 V et I = 4 A

La résistance est donc de 3 .

Transformation de la formule

La loi d'ohm permet aussi de calculer facilement la tension ou le courant.

La figure 1.8 est une façon simple de mémoriser les diverses formes de la loi d'ohm. L'utilisation du triangle consiste à cacher la valeur que l'on recherche pour obtenir l'équation.

Ainsi, si l'on cherche le courant, on le cache et on observe qu'il reste U sur R ; ce qui veut dire que: I=U/R

Figure 1.8     Transformation de la loi d'ohm.

Exemple

On désire connaître la tension aux bornes d'une résistance de 5 ohms lorsqu'un courant de 8 ampères passe dans celle-ci (figure 1.9).

Figure 1.9     Calcul de la tension.

Solution

En observant la figure 1.8, on remarque que l'équation qu'on doit employer pour trouver la tension est :

U = RI

U = 5 x  8 A

U = 40 V

Energie

L'énergie peut se définir comme la quantité d'électricité que consomme un équipement ou une résidence.

Elle est obtenue en multipliant la puissance de l'équipement par son temps d'utilisation. Le symbole pour représenter l'énergie est W et le calcul se fait grâce à la formule suivante :

W = P x t

W= énergie électrique

P = puissance électrique en watts (W)

t  = temps en secondes (s)

L'unité de mesure de l'énergie électrique dans l'équation ci-dessus est le joule, dont le symbole est J.

Le joule est l'unité de mesure du système international.

Cependant, on utilise, fréquemment, le kilowattheure (kWh) pour évaluer la quantité d'énergie consommée.

Sachant que 1 W = 1 J /s, alors

1 kWh = 3 600 000 J = 3,6 MJ

Exemple

Quelle sera la consommation d'énergie, en kilowattheure et en joule, d'une ampoule électrique de 100 W qui est allumée durant 1 heure ?

Solution

On commence par calculer le nombre total de secondes :

1 heure = 3 600 s

ensuite on calcule l'énergie :

W = P x t

W = 100 W x 3 600 s = 360 000 J

et on transforme enfin en kWh :

1 kWh = 3 600 000 J

360 000 J = 0,1 KW

On peut calculer directement la valeur de l'énergie en kilowattheure en utilisant l'équation de l'énergie.

Dans ce cas, le temps devra être en heure (h) et la puissance en kilowatt (kW).

Figure 1.13   Tableau de la provenance de l'appellation des unités de mesure.

Unité de mesure	Provenance	Réalisations
Ampère (A)	André-Marie Ampère (Physicien français)	Élaboré la théorie de l'électromagnétisme et inventé le télégraphe électrique et l'électro-aimant.
Joule (J)	James Prescott Joule (Physicien britannique)	Étudié la chaleur dégagée par les courants électriques dans les conducteurs.
Ohm ()	Georg Simon Ohm (Physicien allemand)	Découvre les lois fondamentales des courants électriques.
Volt (V)	Conte Alessandro Volta (Physicien italien)	Inventé la pile électrique.
Watt (W)	James Watt (Physicien britannique)	Apporté de multiples améliorations à la machine à vapeur.

En résumé sur les lois de l'électricité

A la suite de cette étude, vous devriez retenir plus particulièrement les points suivants:

- Le courant électrique (I) est le mouvement d'ensemble du déplacement de charges électriques négatives dans un matériau conducteur.

- Le courant électrique se mesure en ampère (A) et il est l'équivalent du débit hydraulique.

- La tension (U) se mesure en volt (V) et se compare à la pression hydraulique.

- L'équation de la loi d'ohm est .

- La puissance électrique (P) est la quantité de travail fournie dans un laps de temps donné.

- La puissance se calcule en watt (W) avec l'équation P = UI qu'on peut modifier à l'aide de la loi d'ohm.

- L'énergie (W) est la quantité d'électricité consommée. Elle est obtenue en joule (J) ou en kilowattheure (kWh) grâce à l'équation W = Pt.

Vous avez appris la loi d'ohm et les calculs de la puissance et de l'énergie. Vous aurez besoin de ces connaissances pour résoudre des circuits de base.