Electricité en 19 fiches Dunod

Electricité en 19 fiches Dunod
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L'installation électrique dans l'habitat existant

L'installation électrique dans l'habitat existant : Le guide du professionnel 
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Tension électrique

1)Tension électrique


Notion de tension électrique:


La borne négative d'une pile possède un excès d'électrons alors que ces électrons sont en défaut à la borne positive. La grandeur qui représente la concentration des charges est appelée "potentiel électrique".
Entre les 2 bornes P et N de la pile il existe donc une "différence de potentiel" (notée V_P-V_N) ou "tension électrique" (notée U_PN)
C'est à cause de cette différence de potentiel que la pile est capable de mettre en mouvement les électrons libres, on parle alors de "force électromotrice" de la pile.

Remarque: L'altitude d'un lieu ne peut se définir que par rapport à une altitude repère (niveau de la mer, niveau d'un aérodrome...)
De même, le potentiel en un point ne peut se définir que par sa différence avec un potentiel de référence ("masse" du circuit, potentiel de la borne négative...)

Puissance et énergie 

  Notion de puissance électrique

Lorsqu'on fait fonctionner diverses lampes à incandescence normalement, c'est-à-dire sous leur 

tension nominale, on s'aperçoit que certaines éclairent mieux que d'autres.
Une lampe de projecteur de diapositives (24V) éclaire plus que la lampe d'un lustre dont la tension 
est 230V. La grandeur en relation avec l'éclairement de ces lampes, ce n'est ni la tension, ni l'intensité 
mais la puissance électrique. Cette puissance s'exprime en watt (symbole W). 
La puissance électrique est fournie par le générateur et elle est consommée par le récepteur.
La puissance nominale d'un récepteur est la puissance consommée par l'appareil en fonctionnement 
normal. Elle est en général indiquée par le fabricant.

Puissance	Appareils
1mW = 10-3W	montre - DEL laser
	calculatrices
1W	lampe de poche
	tube fluorescent
	lampe à incandescence
1kW (kilowatt) = 103W	appareil électroménager
	installation électrique domestique
1MW (mégawatt) = 106W	moteur de TGV
1GW (gigawatt) = 109W	centrale électrique
1TW (térawatt) = 1012W
1PW (petawatt) = 1015W	futur laser "petawatt" du CEA

  Relation entre puissance, tension et intensité

Puissance en courant continu
Branchons l'appareil étudié (lampe 12V - 21W) aux bornes d'un générateur  et réglons la tension 

à la valeur nominale U= 12V. Mesurons l'intensité I qui traverse la lampe.

On constate que le produit U x I = 12V x 1,5 A = 21 x V x A
La puissance P consommée par un appareil en courant continu est égale au produit 
de la tension U à ses bornes par l'intensité I du courant qui le traverse.

P = UI

P: puissance en watt
U: tension en volt
I: intensité en ampère

Puissance en courant alternatif Si on remplace dans l'expérience précédente le générateur de tension continue par une générateur de tension alternative, on obtient les mêmes résultats. Remarque: U et I représentent les valeurs efficaces de la tension et de l'intensité.

Mais si on effectue l'expérience avec un moteur à la place de la lampe, on s'aperçoit que le produit UI ne représente plus la puissance du moteur. La présence de bobines dans le moteur entraîne un déphasage (décalage)  entre la tension et l'intensité: L'intensité n'est pas maximale en même temps que la tension.  Ce déphasage se mesure par un angle (f). Il intervient dans le calcul de la puissance: P = UI cos(f)

En définitive, la relation P = UI peut être utilisée en alternatif pour les appareils de chauffage et d'éclairage qui n'entraînent aucun déphasage mais elle est fausse pour les moteurs (P< UI)   Mesure de la puissance En tension continue, on peut calculer la puissance à partir de la tension et de l'intensité. On n'a pas besoin d'un appareil pour mesurer la puissance. En alternatif, lorsque la relation P= UI n'est plus applicable, un appareil de mesure s'impose. Il s'agit du wattmètre   Énergie   Notion d'énergie Définition: Un système possède de l'énergie s'il est capable de fournir du travail mécanique ou son équivalent... Un moteur électrique exerce des forces qui peuvent déplacer des objets: Il fournit du travail mécanique donc il possède de l'énergie. Cette énergie provient du générateur qui fait circuler le courant c'est-à-dire qui met en mouvement les charges électriques par sa force électromotrice.Le générateur possède donc de l'énergie que l'on qualifie d'électrique. Le moteur reçoit cette énergie électrique et la transforme en énergie mécanique.   Transformation de l'énergie Un récepteur est un appareil qui transforme l'énergie électrique en une autre forme d'énergie Énergie consommée Récepteur  Énergie utile fournie Énergie électrique  Radiateur électrique  thermique (chaleur)  Lampe électrique  rayonnante (lumière)  Moteur électrique  mécanique (travail)  Accumulateur en charge  chimique  Transformateur  électrique Un générateur est un appareil qui transforme en énergie électrique une autre forme d'énergie Énergie consommée Générateur Énergie utile fournie  mécanique (travail)  Dynamo, alternateur Énergie électrique  chimique  Pile, accumulateur  rayonnante (lumière)  Photopile  thermique (chaleur)  Thermocouple  électrique  Transformateur   Conservation de l'énergie. Rendement L'énergie ne se perd pas au cours d'une transformation. Elle se conserve. Un radiateur électrique transforme la totalité de l'énergie électrique qu'il reçoit en chaleur. Un moteur électrique ne transforme pas la totalité de l'énergie qu'il consomme en énergie mécanique. Il produit également de la chaleur. L'énergie électrique consommée est égale à la somme de l'énergie mécanique et de l'énergie thermique fournie. Le rendement énergétique est égal au rapport de l'énergie utile fournie et de l'énergie totale consommée.   Énergie électrique   Puissance et énergie Un appareil puissant fournit beaucoup d'énergie en peu de temps. La puissance consommée par un appareil est l'énergie qu'il consomme pendant l'unité de temps. L'énergie électrique consommée par un appareil est égale au produit de sa puissance P consommée par la durée t de son fonctionnement   Unités d'énergie Unité légale d'énergie (système international) P est exprimée en watt (W)                                                            E est exprimée en joule (J) t est exprimée en seconde (s) Unité usuelle d'énergie électrique P est exprimée en watt (W)                                                            E est exprimée en watt-heure (Wh) t est exprimée en heure (h) 1 Wh = 3600 J   Mesure de l'énergie  L'énergie consommée par une installation domestique est mesurée par un compteur d'énergie

Résistance électrique

   Notion de résistance électrique

Branchons  aux bornes d'un générateur, une lampe adaptée. Elle fonctionne correctement puisqu'elle

est adaptée à la tension du générateur.
Ajoutons, en série avec la lampe, un dipôle récepteur quelconque. On observe alors que la lampe
éclaire moins bien. On en déduit que le courant qui traverse la lampe est moins intense que
précédemment. L'appareil ajouté en est responsable. Il freine le passage du courant. Il oppose
au passage du courant une résistance électrique.

Les résistors sont des dipôles fabriqués spécialement pour leur résistance électrique. 

   Caractéristique d'un résistor

     Relation entre tension U et intensité I

Le courant qui circule dans un circuit dépend de la force électromotrice du générateur,  c'est-à-dire de la tension à ses bornes quand il est isolé, mais il dépend aussi de la propriété  de tous les appareils du circuit à freiner ce courant, c'est-à-dire de la résistance électrique du circuit. Ainsi en mesurant à la fois l'intensité du courant et la tension aux bornes d'un dipôle, on pourra  définir la grandeur "résistance électrique" Pour réaliser l'expérience, il faut un générateur de tension réglable, un ampèremètre et un voltmètre que l'on branche selon le circuit ci-contre Le dipôle étudié ci-dessus est un résistor R   Courbe caractéristique U = f ( I ) d'un résistor En faisant varier la tension du générateur, on obtient une série de mesures qu'il est préférable de représenter dans un tableau  U (V)  0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 I (A) 0 0,039 0,079 0,118 0,160 0,198 0,238 0,277 0,316 0,355 Tracé du graphique: Le graphique ci-contre a été réalisé à partir d'un tableur On note que les points représentatifs sont pratiquement alignés. Les petits défauts d'alignement sont dus aux incertitudes.On essaie de tracer la droite  qui passe au mieux par ces points.  (Il ne faut pas joindre les points par une ligne brisée) Le tableur peut calculer l'équation de la droite et la tracer. L'ordonnée à l'origine (0,0033V) est négligeable. La droite passe par l'origine (U=0V , I = 0A) L'équation est de la forme y = ax  c'est à dire U = a I Le coefficient directeur (a=25,3) de la droite représente la résistance R du dipôle. Tracé du graphique: Le graphique ci-contre a été réalisé à partir d'un tableur On note que les points représentatifs sont pratiquement alignés. Les petits défauts d'alignement sont dus aux incertitudes.On essaie de tracer la droite  qui passe au mieux par ces points.  (Il ne faut pas joindre les points par une ligne brisée) Le tableur peut calculer l'équation de la droite et la tracer. L'ordonnée à l'origine (0,0033V) est négligeable. La droite passe par l'origine (U=0V , I = 0A) L'équation est de la forme y = ax  c'est à dire U = a I Le coefficient directeur (a=25,3) de la droite représente la résistance R du dipôle. On peut également se rendre compte de la proportionnalité entre la tension et l'intensité en calculant le rapport U/I On constate que ce rapport est pratiquement contant (compris entre 25,2 et 25,6). En faisant la moyenne de ces nombres, on trouve 25,3  résultat semblable à celui trouvé précédemment. Remarque: Il est préférable de déterminer la résistance du résistor en utilisant le graphique  plutôt que le tableau, car la moyenne des résultats du tableau donne le même poids à tous  les points de mesure  alors que le calcul de la droite de régression donne plus de poids  aux points les plus précis, c'est-à-dire les points les plus éloignés de l'origine. U(V) U/I 0,000 0  ? 0,039 1 25,6 0,079 2 25,3 0,118 3 25,4 0,158 4 25,3 0,198 5 25,3 0,238 6 25,2 0,277 7 25,3 0,316 8 25,3 0,355 9 25,4     La résistance électrique Le rapport U/I constant représente la résistance électrique R du résistor. U étant exprimé en volt et I en ampère,   l'unité de résistance R est l' ohm   dont le  symbole est (oméga)   Loi d'OHM Tout dipôle, ou plus généralement tout conducteur, qui se comporte comme le résistor que l'on vient d'étudier, c'est-à-dire dont la caractéristique est une droite passant par  l'origine est un conducteur ohmique. Tous les métaux sont des conducteurs ohmiques dans la mesure où leur température ne varie pas. Or le passage du courant provoque un dégagement de chaleur. Ainsi le filament d'une lampe à incandescence en fonctionnement peut atteindre 3000°C. L'écart de température est tel que la caractéristique n'est plus une droite.   Enoncé de la loi d'OHM La tension U aux bornes d'un conducteur ohmique est égale au produit de sa résistance R  par l'intensité I du courant qui le traverse. U = R I U : tension en volts    I : intensité en ampères    R : résistance en ohms Etendue de la loi: La loi d'Ohm s'applique aux conducteurs ohmiques en courant continu (par définition du conducteur ohmique) Elle s'applique également en courants variables pour les dipôles ohmiques purement résistifs.  En alternatif on utilisera les valeurs efficaces. Dans les autres cas, la relation n'est plus valable. On utilise alors l'impédance à la place de la résistance. Résistance variable On peut définir la résistance de dipôles qui ne suivent pas la loi d'Ohm. Cette résistance n'est plus une caractéristique du dipôle. La résistance (U/I) est alors variable. La résistance du filament de la lampe ou d'un thermistor est fonction de la température, celle d'un photorésistor est fonction de l'éclairement. ..Applications de la loi d'OHM    Calculons la résistance du filament d'une lampe 6V - 250 mA en fonctionnement normal. U = 6V     I = 250 mA = 0,250 A    R = U/I     R = 6V / 0,250 A        R = 24 ohms   Calculons l'intensité du courant qui traverse un résistor de 120  lorsqu'il est soumis  à une tension de 9V U = 9 V        R = 120    I = U / R     I = 9V / 120   I = 0,075 A = 75 mA  Calculons la chute de tension existant aux bornes d'un fil de résistance 0,14  traversé  par un courant de 5 A R = 0,14  I = 5A        U = 0,14  x 5A                      U = 0,7V    Conductance G De même que l'on définit la résistance par le rapport U/I, on définit la conductance G par l'inverse de la résistance: G = I/U L'unité de conductance est le siemens (S). Exemple: une résistance de R = 10 ohms correspond à une conductance G =  1/(10 ohms) = 0,1 siemens La conductance est utilisée pour les solution ioniques.

Appareils de mesure

Les divers types d'appareils de mesure

  Appareils analogiques

Un appareil analogique fait correspondre à la grandeur que l'on veut mesurer une grandeur analogue.
Le plus souvent il s'agit de l'angle de rotation d'une aiguille.
Par exemple, lorsque la grande aiguille de votre montre a tourné d'un angle de 90°, vous savez
que 15 minutes sont passées. Les appareils de mesure analogiques sont fabriqués en général à partir
d'un galvanomètre à cadre mobile. Ce sont des appareils fragiles.

  Appareils numériques:
On utilise de plus en plus des appareils à affichage numérique. (Ne pas confondre avec 
'affichage digital, plus souvent utilisé par les sourds-muets que par les physiciens.)
Un affichage 2000 points, peut afficher les nombres de 0 à 1999 ainsi qu'une virgule flottante.
Les appareils numériques ne contiennent pas de pièces mécaniques en mouvement, mais seulement
des composants électroniques. Ils sont beaucoup plus robustes que les appareils analogiques.
Remarque: l'affichage digital craint le froid et risque les engelures au-dessous de -5°C

   

  Affichage analogique         Affichage numérique: (4,45)   Affichage digital: (3)

  La numérisation d'un signal analogique

La grandeur à mesurer (intensité, tension) peut prendre une infinité de valeurs.
L'aiguille de l'appareil de mesure peut prendre une infinité de positions correspondant à ces valeurs.
Un appareil numérique ne peut afficher qu'un nombre limité de valeurs (exemple: 2000 points pour les
multimètres ordinaires).

Le signal analogique doit être converti en signal numérique qui est ensuite appliqué sur l'afficheur.

Numérisation sur un bit (2 valeurs).

Le bit est l'unité d'information: il ne peut prendre que deux valeurs 0 et 1

Prenons une grandeur analogique qui peut prendre une infinité de valeurs entre 0 et 20: La conversion en numérique sur 1 bit donnera la valeur 0 si la grandeur est inférieure à 10 et 1 si elle est supérieure à 10.

Numérisation sur 2 bits (4 valeurs)

grandeur analogique	décimal	2ème bit ( fort)	1er bit ( faible)
de 0 à 5	0	0	0
de 5 à 10	1	0	1
de 10 à 15	2	1	0
de 15 à 20	3	1	1

En bleu: grandeur analogique.   En rouge: grandeur numérique
On améliore la résolution de l'appareil en augmentant le nombre de bits servant
au codage (échantillonnage)

Nombre de bits	8	10	16	20	24	32
Nombre de valeurs	256	1024	65536	1048576	16777216	4294967296

La valeur numérique trouvée est envoyée sur l'afficheur après un petit calcul:
Exemple: Numérisation sur 10 bits d'une tension pouvant varier de 0 à 20 V.
La valeur numérique trouvée est 256 (en décimal, soit 0010000000 en binaire).
La valeur correspondant à 1024 est 20 V
La valeur correspondant à 256 est donc (256 x 20V) / 1024 = 5 V. L'appareil affichera 5