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| ====== Intensité & Tension ====== | ====== Intensité & Tension ====== |
| ===== Charges et courants électriques ===== | ===== Charges et courants électriques ===== |
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| ==== Description du montage ==== | ==== Les charges électriques ==== |
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| Le circuit pour allumer une lampe est le suivant : prenez une pile de valeur maximale 4,5 V ; donc des piles AA ou AAA de 1,5 V, des piles boutons de 3 V ou des piles plates de 4,5 V, évitez les piles de 9 V pour l'instant vous risqueriez de brûler la lampe à incandescence. Sur ces piles, notez qu'il existent deux parties, deux polarités, représentées par le signe + et - (souvent il n'y a qu'un signe l'autre est sous-entendu). Le plus simple est d'utiliser les piles plates 4,5 V car il est facile de s'accrocher à leurs pôles avec les pinces crocodiles. Accrochez ou collez sur chaque pôle une pince-croco d'un fil et sur l'autre une autre pince-croco d'un autre fil. Ne reliez pas directement les deux pôles de la pile avec le même fil vous risqueriez de déchargez très vite la pile. Il doit vous restez deux pinces-croco libres. Prenez ensuite une lampe à incandescence. Remarquez qu'il y a deux parties métalliques distinctes : le culot autour de la lampe et le plot qui est en bas de la lampe. Entre ces deux parties métalliques, une partie non métallique sert à l'isolation de ces deux parties. Mettez chaque pince-croco sur une partie métallique différente de la lampe et là ... Ô miracle, que le lumière soit et la lumière fut ! Vous avez fait votre premier circuit électrique. N'ayez pas peur de toucher les fils ou les parties métalliques, avec des tensions de quelques volts ce circuit est tout à fait sans danger pour vous. | On connait bien la notion de masse qui est une notion familière dans notre vie quotidienne. On la mesure facilement avec une balance et son unité est le kg. Chaque objet du quotidien ou être humain a une masse. Il se trouve qu'il existe un autre notion similaire à la masse : la charge électrique. Mais dans ce cas, il se trouve que tous les objets du quotidien et nous même avons une charge électrique nulle. Cependant ce n'est pas le cas des particules qui composent la matière, leur charge n'est pas nulle. Mais alors si j'ai en moi des particules chargées pourquoi ne suis-je pas moi même chargé électriquement. Il se trouve qu'à la différence de la masse les charges peuvent être positive ou négative. Ainsi les objets du quotidien et les être humain, on en eux autant de charges positives que de charges négatives, ce qui fait comme si on n'avait pas de charge. Le fait que la nature autour de nous soit neutre, non chargé, fait que l'on a du mal à appréhender cette notion. Les charges sont pourtant essentiel pour comprendre le courant électrique, c'est elle que l'on va mettre en mouvement. |
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| {{:formation:documentation:exp_fon_1.jpg?nolink&200|}} | Dans une barre de métal ou dans une planche de bois, il y a donc plein de particules chargées. Il en existe deux sortes : les protons qui sont chargées positivement et les électrons négativement. Il se trouve que protons et électrons ont la même charge mais de signe opposé. Ainsi si vous prenez un proton et un électron vous avez au total une charge nulle. Comme dans la matière, il y a autant de protons que d'électron cela fait que la matière est neutre. Les protons sont plutôt fixe dans les solides. La plupart des électrons sont aussi fixes, reliés à un proton ne bougeant pas vraiment mais plutôt vibrant autour de leur position. Cependant dans certain matériaux comme les métaux, certains électrons sont libres, cela veut dire pour schématiser qu'ils peuvent se déplacer librement tant qu'il reste dans le matériau, ils ne sont pas obliger des rester proche de leur proton. |
| {{:formation:documentation:exp_fon_2.jpg?nolink&200|}} | |
| {{:formation:documentation:circuit_lampe.png?nolink&200|}} | ORDRE DE GRANDEUR : dans un mm3 de cuivre combien y a-t-il d'électrons ? |
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| | Ainsi dans un fil de cuivre, il se trouve des milliards de milliards et plus encore d'électrons libres qui bougent un peu dans tous les sens de manière chaotique. C'est un peu comme les molécules d'eau dans un tuyau rempli. Les molécules vont dans toutes les directions sans mouvement global cohérent. |
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| ==== Le courant électrique ==== | ==== Le courant électrique ==== |
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| Comment expliquer que la lampe s'allume ? Reprenons le circuit en le schématisant pour simplifier comme fait sur l'image ci-dessus. En électricité, on explique cette expérience en invoquant qu'un courant dit électrique se propage de la borne positive de la pile vers la borne négative de la pile en passant par la lampe. On peut s'imaginer cela comme si les fils étaient des conduites pleines d'eau. A la borne positive, il y aurait une pression plus forte qu'à la borne négative due fait d'une pompe (au lieu de pompe, on peut aussi s'imaginer que le pôle + est plus haut que le pôle - créant cette surpression). Naturellement, l'eau dans les conduites d'eau circulerait de la borne positive à la négative. Au lieu de transporter de l'eau, le courant électrique transporte des charges électriques qui sont supposées être positives car partant du pôle positif. Ainsi un courant électrique va traverser la lampe à incandescence et c'est cela qui va être responsable de la lumière émise. Pour que le courant électrique circule, on dit qu'il faut un circuit fermé ; il ne faut pas qu'un des fils ne touche pas soit la pile soit la lampe. Il se trouve que l'air est un très mauvais conducteur d'électricité ainsi si vous décollé un fil de la pile ou de la lampe le courant ne pourra plus passer car il devrait passer par l'air. C'est comme si vous fermiez un robinet, l'eau ne peut plus circuler. | On parle de courant électrique quand les électrons libres ont un mouvement global tous dans la même direction. Par exemple dans un fil électrique de cuivre, quand les électrons vont vers la gauche alors on parle de courant électrique allant de droite à gauche. |
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| Il existe deux grands types de matériaux du point de vue de l'électricité les **conducteurs** et les **isolants**. Les premiers comme leur nom l'indique permettent de transporter le courant électrique. En gros tous ce qui est métallique est conducteur. Le cuivre est très utilisé comme conducteur. A l'inverse, les isolants ne permettent pas au courant de passer. C'est le cas de l'air, du bois, des plastiques, etc. A noter, que si les tensions deviennent vraiment trop grandes les isolants peuvent se mettre à laisser passer l'électricité mais cela est souvent destructeur pour l'isolant. Un exemple que tout le monde connaît est l'éclair durant un orage. Ici, l'air qui est un isolant devient conducteur pendant un bref instant mais pour cela il faut des milliers de volts. Un allume gaz électrique n'est rien d'autre qu'un appareil servant à créer des petits éclairs par la présence d'une tension très forte sur une petite distance. | A partir de cette définition, on peut tout de suite classer les matériaux en deux parties : ceux qui ont des électrons libres et donc qui peuvent avoir des courants électriques et ceux qui n'ont pas d'électron libre et donc qui ne peuvent pas avoir de courant électrique. Les premiers sont dits **conducteurs** et les seconds **isolants**. Ainsi, un morceau de bois bien qu'il ait plein d'électrons en lui n'a pas d'électron libre et donc ne pourra pas avoir de courant électrique le traversant. Les conducteurs qui sont très utilisés sont le cuivre car bon conducteur et pas trop cher et l'or car très bon conducteur mais un peu cher. Les isolants sont aussi très utile en électricité pour être sûr que les électrons reste bien la où il doivent être. Ainsi, si on met des gaine en plastique autour des fils électriques c'est pour que les électrons restent bien dans ces fils. Les isolants ont le même rôle que des matériaux imperméables pour l'eau, c'est dernier empêchant l'eau de s'échapper. |
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| **Aparté physique** : \\ | Il est assez facile de définir ce qu'est le courant électrique de nos jours avec nos connaissances sur l'électron : le rapport entre le nombre de particules traversant une surface divisé par le temps qu'elle traverse la surface. Cela est similaire à un courant hydraulique nommé aussi débit d'eau, c'est le rapport entre le nombre de litre d'eau sortant d'un tuyau par le temps. Plus il y a d'électrons traversant la surface pendant un certain temps plus le courant électrique est grand. |
| Que sont ces charges électriques et pourquoi certains matériaux sont isolants et d'autres conducteurs ? Pour cela, il faut revenir à de la physique. Les charges électriques qui se déplacent pour créer un courant de charges sont les électrons, petites particules autour des noyaux atomiques. La matière étant constitué d'atome et ces atomes ayant des électrons, tous les matériaux portent des électrons. Mais pourquoi alors certains sont conducteurs et d'autres isolants et pourquoi les électrons peuvent se déplacer dans le métal alors qu'ils sont liés à leur atome. Dans les matériaux conducteurs (les métaux en simplifié), il y a des électrons dits "libres" c'est à dire non liés à leur atome et donc qui peuvent bouger. A l'inverse dans un isolants, il n'y a pas d'électron libre et le courant électrique ne peut pas avoir lieu (à moins de mettre une tension vraiment très forte pour faire que des électrons liés deviennent libres). Il est à noter que les électrons sont des charges négatives et non positive comme décrit dans la vision du courant électrique. Donc quant on dit que le courant électrique va du plus vers le moins, cela est physiquement faux, car les électrons vont du moins vers le plus. Il se trouve que ces deux visions sont équivalentes car si dans la vision d'un électricien le courant électrique est constitué de charges positives allant du pôle + vers le pôle -, en réalité pour un physicien les électrons se déplacent du pôle - vers le pôle +. Cependant mathématiquement, comme on change le signe de la charge et le sens du courant, cela revient à la même chose pour les calculs. C'est la même chose que lorsque vous multipliez deux nombres positifs 2*3 ou les deux même nombres mais négatifs (-2)*(-3) ; le résultat est toujours 6. Autre analogie en économie, dire que vous avez **perdu** +100 euros, revient au même que dire que vous avez **gagné** -100 euros. La première façon de voir est la vision de l'électricien, la deuxième du physicien. Historiquement, le courant électrique a été défini avant de connaître les électrons, cela explique cette erreur du modèle.\\ | |
| **Fin de l'aparté** | Cependant quand l'électricité a débuté, l'électron était inconnu et la notion de courant électrique comme un déplacement d'électron de même. Cependant, les savants de l'époque avait compris qu'il s'agissant d'une sorte de courant comme d'un courant d'eau dans un tuyau. On pensait que c'était des particules chargés positivement qui se déplaçaient. Cette méconnaissance physique fait que le courant électrique est défini comme le courant opposé à celui des électrons. Ainsi si, physiquement, les électrons chargés négativement vont de gauche à droite dans un fil de cuivre, électriquement, on conçoit cela comme des particules chargées positivement qui vont de droite à gauche. Mathématiquement cela est équivalent. Comme on change le signe de la charge et le sens du courant, cela revient à la même chose pour les calculs. C'est la même chose que lorsque vous multipliez deux nombres positifs 2*3 ou les deux même nombres mais négatifs (-2)*(-3) ; le résultat est toujours 6. Autre analogie en économie, dire que vous avez **perdu** +100 euros, revient au même que dire que vous avez **gagné** -100 euros. La première façon de voir est la vision de l'électricien, la deuxième du physicien. |
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| Voir comme lien externe : [[https://www.youtube.com/watch?v=_XWM9wx9dUM | Mentalité Ingénieur : Courant Conventionnel et Flux d'électrons]] | Voir comme lien externe : [[https://www.youtube.com/watch?v=_XWM9wx9dUM | Mentalité Ingénieur : Courant Conventionnel et Flux d'électrons]] |
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| ==== L'Ampère ==== | ==== Différence de potentiel - la tension électrique ==== |
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| On vient de définir ce qu'était le courant électrique ou dit autrement l'intensité : un déplacement de charge électrique. Maintenant, il faut pouvoir le quantifier. L'unité de l'intensité est l'ampère, A, dû au scientifique [[https://fr.wikipedia.org/wiki/Andr%C3%A9-Marie_Amp%C3%A8re|André-Marie Ampère]]. Pour vous donner des ordres de grandeurs, chez vous les fils électrique allant vers un grille-pain, un four ou une bouilloire transportent plusieurs ampère au maximum 10 A. Un cuisinière complète avec four et plaque de cuisson peut aller jusqu'à 20-30 A, quant une lampe ne consomme que quelques centaine de milli-Ampère, mA, donc moins qu'un ampère. Les appareils consommant le moins d'ampère sont ceux marchant à pile, il ne demande que des courants de quelques mA. En définitif, à une écrasante majorité vous ne trouverez chez vous que des intensité allant de 1 mA à 10 A. | Si vous avez un tuyau rempli d'eau et que vous voulez le vider, que pouvez vous faire ? Il suffit simplement de pencher votre tuyau et alors toute l'eau ira du haut vers le bas. Il y aura création d'un mouvement global cohérent. Ceci résultat du fait que l'eau à une masse et qu'elle est attirée vers le bas. La différence d'altitude va mettre en mouvement l'eau dans le tuyau qui avant était statique. On aurait aussi pu mettre une différence de pression avec une pompe qui aurait pousser l'eau d'un côté pour la faire sortir de l'autre côté. Ici, ce n'est pas une différence d'altitude mais de pression qui aurait créé le mouvement de l'eau. |
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| Vous pouvez voir parfois des intensités négatives par exemple -2 A. Que cela signifie-t-il ? En électricité souvent le courant va toujours dans le même sens, mais parfois il change de sens au cours du temps. Ainsi dire que le courant fait 2 A ne nous dit rien sur son sens ; va-t-il de gauche à droite ou de droite à gauche dans le fil. Pour éviter ces confusions, on choisit qu'un sens est positif et l'autre négatif. Si par exemple, on décide que le courant allant de la gauche vers la droite est positif alors le courant opposé ira de la droite vers la gauche. Ainsi on pourra parler de courants de 2 A ou de -2 A. | Pour matériaux conducteurs, nous avons aussi besoin de quelque chose qui poussent les charges électriques afin de créer un courant électrique. Si vous penchez un fil, cela ne fera pas bouger les électrons vers le bas. Cette chose dont nous avons besoin est une **tension** ou de manière équivalente une **différence de potentiel**. Si nous créons une tension entre deux extrémités d'un fil de cuivre, alors les électrons se mettront à bouger de la tension la plus basse à la tension la plus haute. Par exemple une pile AA génère une tension ou différence de potentiel de 1,5 V, avec un potentiel plus fort sur le côté +. Ainsi les électrons du fil vont aller du pôle - vers le pôle + de manière globale avec une certaine vitesse. |
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| **Aparté physique** : \\ | Il ne faut pas croire que tous les électrons libres du fil de cuivre vont disparaître dans la pile. Bien que des électrons quittent le fil pour aller dans la pile au niveau du pôle + d'autres quittent la pile pour aller dans le fil au niveau du pôle -. Ainsi, il y a toujours autant d'électron dans le fil de cuivre et ce dernier est toujours globalement neutre. |
| On sait que les charges électriques sont en réalité des électrons qui circulent dans les fils électriques. Ainsi, l'intensité est tout simplement un débit d'électron. Tout comme le débit d'eau qui se mesure en Litre ou kg par seconde on mesure l'intensité par nombre d'électron par seconde. Plus précisément, ce qui nous intéresse c'est le nombre de charge électrique passant en une seconde. L'unité de la charge électrique est le Coulomb dû à [[https://fr.wikipedia.org/wiki/Charles-Augustin_Coulomb | Charles-Augustin Coulomb]]. Donc le débit électrique est en Coulomb par seconde noté C/s. Ainsi 1 ampère est égale à 1 C/s : 1 A = 1 C/s. Historiquement, on ne savait pas que le courant électrique était dû au déplacement d'électron donc on n'a pas utilisé cette unité de mesure. | |
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| On peut retrouver ici que l'intensité vu par l'électricien ou le physicien est identique. Pour un électricien, 1 A correspond à 1 Coulomb passant dans le sens défini positif dans un fil électrique. Alors que pour un physicien, c'est non pas +1 Coulomb mais -1 C (car les électrons ont des charges négatives) passant dans l'autre sens, le sens négatif, donc au final l'intensité est -(-1) C/s = 1 C/s = 1 A. Physiciens et électriciens ne voit pas le monde de la même façon mais font les mêmes calculs et arrivent aux mêmes résultats. | Revenons un instant sur les isolants. Il est à noter que si les tensions deviennent vraiment trop grandes les isolants peuvent se mettre à laisser passer un courant électricité mais cela est souvent destructeur pour l'isolant. Cela s'explique par le fait que les électrons sont censé être fixe à leur proton mais si la tension est trop grande les électrons les moins bien accrochés vont pour une certaine tension se décrocher violemment de leur proton. Un exemple que tout le monde connaît est l'éclair durant un orage. Ici, l'air qui est un isolant devient conducteur pendant un bref instant mais pour cela il faut des milliers de volts. Un allume gaz électrique n'est rien d'autre qu'un appareil servant à créer des petits éclairs par la présence d'une tension très forte sur une petite distance pendant un temps très court. |
| **Fin de l'aparté** | |
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| ==== Physique de la lampe à incandescence ==== | Voir lien externe : [[https://www.youtube.com/watch?v=imCJI3UUvO8 | Mentalité Ingénieur : La Tension expliquée]] |
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| | ==== Utilisation de l'électricité ==== |
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| | Le but de l'électricité est de faire bouger les électrons comme on le désire afin qu'ils rentrent dans des appareils électriques et qu'ils effectuent des tâches dépendant de l'appareil électrique. Ainsi, un courant passant dans une résistance électrique va faire chauffer la résistance et donc ce qui se trouve autour d'elle. Cela est utilisé dans les appareils chauffants : grille-pains, sèche-cheveux, appareil à raclette, etc. Un courant électrique passant dans un moteur électrique peut entraîner une rotation du moteur très utile dans les lave-linge, les sèche-cheveux, les ventilateur. Un courant électrique traversant des ampoules à incandescences ou des LED va générer de la lumière très pratique pour s'éclairer ou pour l'éclairage d'un écran de télé ou d'ordinateur. Un courant passant dans un haut parleur va émettre du son, ce qui est primordiale pour une chaîne HI-FI ou un ordinateur. Et enfin, un courant peut aussi servir à faire des calculs logiques quand il passe dans un microcontroleur, un processeur ; primordiale pour faire marcher un ordinateur, un lecteur DVD ou un appareil photo numérique. |
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| | L'utilisation de courant électrique semble sans limite tant que l'homme inventera des appareils utilisant la physique de l'électron : l'électromagnétisme. |
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| | ===== Premiers circuits électriques ===== |
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| | Après ces considérations générales, venons en à des choses plus pratiques. On va par la suite monter des premiers circuits électriques très simples qui serviront à chauffer, faire de la lumière ou faire tourner un moteur. |
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| | ==== Description du circuit ==== |
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| | Le circuit pour allumer une lampe ou une LED, chauffer une résistance ou tourner un moteur est le même : on relie un générateur de tension constante qui a une borne + et une borne - à un appareil électrique qui a deux pattes. La connexion se fait par le biais de fils électriques avec des pinces crocodiles aux bouts pour avoir une bonne connexion. |
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| | IMAGE CIRCUIT DE BASE |
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| | Que se passe-t-il ? Le générateur de tension crée une différence de potentiel, plus forte à son pôle + et moins forte à son pôle -. Cela va entraîner un courant électrique du + vers le -. Ce courant va traverser l'appareil électrique. Ce courant sera plus ou moins fort en fonction de l'appareil qui se trouvera sur son chemin et de la différence de potentiel. |
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| | ==== Les générateurs de tension ==== |
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| | Pour débuter, il est bon d'utiliser deux types de générateur de tension constante : les piles et les adaptateurs secteurs. La tension délivrée est notée dessus. |
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| | Pour les piles AA et AAA, elle est de 1,5 V, pour les piles boutons de 3 V. Sur ces piles, les polarités sont représentées par le signe + et - (souvent il n'y a qu'un signe l'autre est sous-entendu). |
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| | Pour les adaptateurs secteurs, il faudra couper leur embout et dénuder les fils. Pour connaître les tensions, il faut trouver le terme **OUTPUT** puis lire la suite. Par exemple "OUTPUT : 12 V, 0,6 A" signifie que la tension de sortie est de 12 V entre les deux fils. Par contre vous ne saurez pas qu'elle fil à le plus grand potentiel. L'usage du multimètre permettra de résoudre ce problème. |
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| | Au générateur de tension constante, vous allez brancher un de ces quatre appareils électriques : résistance, lampe à incandescence, LED+résistance, moteur. |
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| | ==== Résistance ==== |
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| | Une résistance n'a pas de sens donc vous pouvez la brancher comme vous voulez au générateur. |
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| | Une résistance branchée sur une générateur va se mettre à chauffer. La montée en température dépendra de la résistance et du générateur de tension. Si la résistance est forte, elle ne chauffera pas beaucoup. Si la tension est forte, elle se mettra à chauffer plus vite et plus fort. Pour des tensions en dessous de 12 V, les résistances classique ne devrait pas trop chauffer. Attention si vous prenez des adaptateurs de 24 V ou plus, votre résistance pourraient devenir très chaude. |
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| | ==== Lampe à incandescence ==== |
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| | La lampe à incandescence est un peu comme une résistance de faible valeur mais elle fait de la lumière en plus. |
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| | Remarquez qu'il y a deux parties métalliques distinctes : le culot autour de la lampe et le plot qui est en bas de la lampe. Entre ces deux parties métalliques, une partie non métallique sert à l'isolation de ces deux parties. Reliez les deux fils d'un générateur de tensions de moins de 4,5 V sur une partie métallique différente de la lampe et là ... Ô miracle, que le lumière soit et la lumière fut ! |
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| | {{:formation:documentation:exp_fon_1.jpg?nolink&200|}} |
| | {{:formation:documentation:exp_fon_2.jpg?nolink&200|}} |
| | {{:formation:documentation:circuit_lampe.png?nolink&200|}} |
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| | **Aparté** :\\ |
| Pourquoi une lampe à incandescence s'allume-t-elle si un courant la traverse. Il faut comprendre comment fonctionne une lampe à incandescence. Cette dernière est assez simple. Elle est composée d'un filament de tungstène qui est relié au culot d'un côté et au plot de l'autre. Ce filament est métallique pour laisser passer le courant électrique. Cependant, il a tendance à résister au passage du courant et à vite chauffer quand un courant le traverse ; un peu comme quand vous frottez votre main sur une surface rugueuse, il y a de la résistance et votre main s'échauffe. C'est en chauffant qu'il se met à émettre de la lumière, comme de la braise qui luit quand elle est chaude. | Pourquoi une lampe à incandescence s'allume-t-elle si un courant la traverse. Il faut comprendre comment fonctionne une lampe à incandescence. Cette dernière est assez simple. Elle est composée d'un filament de tungstène qui est relié au culot d'un côté et au plot de l'autre. Ce filament est métallique pour laisser passer le courant électrique. Cependant, il a tendance à résister au passage du courant et à vite chauffer quand un courant le traverse ; un peu comme quand vous frottez votre main sur une surface rugueuse, il y a de la résistance et votre main s'échauffe. C'est en chauffant qu'il se met à émettre de la lumière, comme de la braise qui luit quand elle est chaude. |
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| Pourquoi un verre autour du filament. Le verre sert à piéger hermétiquement un gaz inerte. Au contact de l'air ambiant et principalement de l'oxygène, le filament brûlerait tout de suite et fonderait. Pour éviter cela, on place ce filament dans ces conditions hors de l'atmosphère sous cloche ou plutôt sous verre. Ainsi lorsqu'un courant électrique vient de la borne positive de la pile, il passe par le culot ou le plot suivant votre branchement, il passe ensuite par le filament. Cela le fait chauffer, rougir et émettre de la lumière. Le courant revient vers la borne négative de la pile. Le filament est un composant passif, il émettra plus ou moins de lumière en fonction de courant qui est plus ou moins fort. Cela est identique à votre main qui frotte plus ou moins fortement une surface rugueuse, elle chauffera plus ou moins. Si le courant est trop fort, il chauffera trop, fondra et ainsi le circuit sera ouvert et le courant ne pourra plus passer, coupant ainsi la lumière. | Pourquoi un verre autour du filament. Le verre sert à piéger hermétiquement un gaz inerte. Au contact de l'air ambiant et principalement de l'oxygène, le filament brûlerait tout de suite et fonderait. Pour éviter cela, on place ce filament dans ces conditions hors de l'atmosphère sous cloche ou plutôt sous verre. Ainsi lorsqu'un courant électrique vient de la borne positive de la pile, il passe par le culot ou le plot suivant votre branchement, il passe ensuite par le filament. Cela le fait chauffer, rougir et émettre de la lumière. Le courant revient vers la borne négative de la pile. Le filament est un composant passif, il émettra plus ou moins de lumière en fonction de courant qui est plus ou moins fort. Cela est identique à votre main qui frotte plus ou moins fortement une surface rugueuse, elle chauffera plus ou moins. Si le courant est trop fort, il chauffera trop, fondra et ainsi le circuit sera ouvert et le courant ne pourra plus passer, coupant ainsi la lumière.\\ |
| | **Fin aparté** |
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| {{ :formation:documentation:lampe_incandescence.jpg?nolink&500 |}} | {{ :formation:documentation:lampe_incandescence.jpg?nolink&500 |}} |
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| | Plus la tension est forte, plus la force exercée sur les charges électriques sera forte et donc plus le courant résultant sera fort. Ainsi lorsque l'on prend des piles de tensions de plus en plus faible pour éclairer une lampe, le courant est moins fort et donc la luminosité diminue aussi. A l'inverse si vous mettez une pile de plus grande tension, de 9 V par exemple, sur une lampe à incandescence faite au maximum pour du 4,5 V, le courant sera trop fort. Résultat, le filament va trop chauffer et il fondra rapidement rendant votre lampe inutilisable. |
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| ==== Le corps humain et l'électricité ==== | |
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| | ==== LED+résistance ==== |
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| | Le système électrique résistance + LED fait de prime abord la même chose qu'une lampe à incandescence. Cependant deux choses changent : 1) le courant électrique est moins fort pour le même éclairage et 2) la LED ne laisse passer le courant que dans un sens. Ainsi si vous changez le sens des pattes, la LED s'allumera dans un sens et pas dans l'autre. A noter que si la LED ne s'allume dans aucun sens c'est que votre tension est trop basse, il faut au moins une tension de 3 V pour avoir un résultat clair. |
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| | ==== Moteur ==== |
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| | Le dernier appareil électrique est un petit moteur fait pour marcher en tension constante. Une fois branché, ce dernier va se mettre à tourner dans un sens. Si vous changez la tension du générateur auquel il est branché, alors il tournera plus vite faisant plus de bruit. Si vous inversez ses pattes, alors il tournera dans le sens opposé à précédemment. |
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| ==== Quiz pour se tester ==== | ==== Quiz pour se tester ==== |
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| ===== La tension ===== | ===== Mesures de tensions ===== |
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| ==== L'utilité de la pile comme générateur de tension ==== | Après ces deux premières sections plutôt qualitatives, on attaque des sections plus quantitatives. On va donc dans cette section commencer à mesurer des tensions. Pour cela, on utilise l'objet le plus important en électricité : le multimètre. |
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| Nous avons vu que pour allumer la lampe, il fallait qu'un courant électrique traverse cette lampe. Pour qu'un courant puisse circuler, il faut un circuit fermé. Très naïvement, on pourrait penser qu'en reliant le culot de la lampe à son plot, un courant pourrait circuler. Nous avons bien ici un circuit fermé mais il n'y a pas d'élément moteur qui fasse circuler les charges électriques. C'est un peu la même situation que vous obtiendrez si vous essayez de faire tourner un petit moulin à eau avec des tuyaux remplis d'eau mais tous à la même hauteur ou sans pompe. Le résultat est que votre eau ne bougera pas et ne fera pas tourner votre moulin. Pour donner du mouvement à l'eau, il faut soit avoir une pompe soit avoir une réserve d'eau en hauteur qui permet à l'eau de tomber. | ==== Le volt – ordre de grandeur ==== |
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| L'élément qui va mettre du mouvement et de la vie dans ce circuit électrique est le générateur de tension. On en verra plusieurs type plus tard mais le plus connu est la pile. La pile permet de pousser les charges électriques du pôle + au pôle -. C'est elle qui a le rôle moteur de faire bouger les charge électriques pour qu'elles circulent dans le circuit fermé. Une pile en électronique est l'alter ego de la pompe en hydraulique. En effet la pompe permet de créer une surpression à un endroit du circuit hydraulique qui va pousser l'eau. En électronique, on ne parle pas de pression mais de potentiel. Le pôle + a un potentiel plus grand que le pôle -, donc un courant électrique peut se former du + vers le -. La tension d'une pile exprimé en Volt, V, n'est rien d'autre que la différence de ces deux potentiels. Ainsi une tension de 1,5 V signifie que le pôle + a un potentiel plus grand que le pôle - d'une valeur de 1,5V. | La tension est la grandeur qui marque la différence de potentiel entre deux points d'un circuit. Si cette tension est non nulle alors les charges électriques peuvent se mettre en mouvement et créer un courant électrique. Le courant allant du plus haut potentiel au plus bas. L'unité de la tension est dénommé le Volt en hommage à [[https://fr.wikipedia.org/wiki/Alessandro_Volta|Alessandro Volta]]. On utilise souvent cette unité mais aussi ses multiples proche comme le mV = 0,0001 V et le kV = 1000 V. |
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| Plus la tension est forte, plus la force exercée sur les charges électriques sera forte et donc plus le courant résultant sera fort. Ainsi lorsque l'on prend des piles de tensions de plus en plus faible pour éclairer une lampe, le courant est moins fort et donc la luminosité diminue aussi. A l'inverse si vous mettez une pile de plus grande tension, de 9 V par exemple, sur une lampe à incandescence faite au maximum pour du 4,5 V, le courant sera trop fort. Résultat, le filament va trop chauffer et il fondra rapidement rendant votre lampe inutilisable. | En pratique dans la vie de tous les jours, vous connaissez déjà des objets qui ont ou fonctionne avec une certaine tension. Tout le monde sait que les piles ont des tensions de soit 1,5 V, 3 V, 4,5 V ou 9 V. De plus vous avez déjà dû voir sur les adaptateur secteur que vos câbles USB fonctionnent en 5 V. Il existe des adaptateurs fonctionnant à toutes sortes de tension mais les plus fréquentes sont 12 ou 24 V. Les tensions constantes en dessous de 30-50 V sont des basses tensions. Au delà, on parle souvent de moyenne tension jusqu'au milliers de volt. Dans ce cas là, ce sont vos appareils électroménager qui sont fait pour fonctionner à ces tensions. Il est souvent écrit dessus 230 V car la tension fournit par les prises électriques fournissent une tension qui équivaut à du 230 V continue (je n'ai pas dis qui était du 230 V car c'est une tension alternative donc non constante, voir la formation [[formation:documentation:alternatif | l'alternatif en électricité]]). Enfin au dessus de 1 kV, on peut parler de haute-tension. Chez vous, il est assez rare de croisez de tel tension sauf pour un appareil électrique : le micro-onde qui a besoin de tensions de plus de 4000 V pour fonctionner (voir formation sur [[formation:documentation:micro-ondes|le micro-onde]]). En dehors de chez vous, vous avez déjà dû voir des pylônes dits à haute tension car leur tension est de plusieurs milliers de kV. |
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| En plus d'initier le courant électrique, la pile définit aussi le sens du courant électrique. Elle est faite pour envoyer des charges électriques de la borne positive vers la borne négative. Elle dicte le sens du courant électrique qui va du pôle plus vers le pôle moins. Pour une lampe qui n'est pas polarisé, cela n'a pas d'intérêt ; mais pour d'autres composants polarisés comme une diode que l'on verra plus tard, c'est primordiale. | |
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| Voir lien externe : [[https://www.youtube.com/watch?v=imCJI3UUvO8 | Mentalité Ingénieur : La Tension expliquée]] | |
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| ==== Mesure de la tension au voltmètre ==== | ==== Mesure de la tension au voltmètre ==== |
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| | ===== Loi des mailles ===== |
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| | Cas de deux résistances en série : intensité identique passant par les résistances, mais tensions différentes, la somme des tensions = tension de l'alimentation |
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| | Loi des mailles : par une maille la somme des tensions est nulle |
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| ===== Circuit en série et en parallèle : Loi des noeuds et loi des mailles ===== | ---- |
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| Cas de deux résistances en série : intensité identique passant par les résistances, mais tensions différentes, la somme des tensions = tension de l'alimentation | ===== Mesures d'intensités ===== |
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| Cas de deux résistances en parallèles : tensions identiques, mais intensités différentes, la somme des intensités passant par les résistances = intensité délivrée par l'alimentation | ==== L'Ampère ==== |
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| Loi des noeuds : Par un point du ciruit la somme des intensités est nulle | On vient de définir ce qu'était le courant électrique ou dit autrement l'intensité : un déplacement de charge électrique. Maintenant, il faut pouvoir le quantifier. L'unité de l'intensité est l'ampère, A, dû au scientifique [[https://fr.wikipedia.org/wiki/Andr%C3%A9-Marie_Amp%C3%A8re|André-Marie Ampère]]. Pour vous donner des ordres de grandeurs, chez vous les fils électrique allant vers un grille-pain, un four ou une bouilloire transportent plusieurs ampère au maximum 10 A. Un cuisinière complète avec four et plaque de cuisson peut aller jusqu'à 20-30 A, quant une lampe ne consomme que quelques centaine de milli-Ampère, mA, donc moins qu'un ampère. Les appareils consommant le moins d'ampère sont ceux marchant à pile, il ne demande que des courants de quelques mA. En définitif, à une écrasante majorité vous ne trouverez chez vous que des intensité allant de 1 mA à 10 A. |
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| | Vous pouvez voir parfois des intensités négatives par exemple -2 A. Que cela signifie-t-il ? En électricité souvent le courant va toujours dans le même sens, mais parfois il change de sens au cours du temps. Ainsi dire que le courant fait 2 A ne nous dit rien sur son sens ; va-t-il de gauche à droite ou de droite à gauche dans le fil. Pour éviter ces confusions, on choisit qu'un sens est positif et l'autre négatif. Si par exemple, on décide que le courant allant de la gauche vers la droite est positif alors le courant opposé ira de la droite vers la gauche. Ainsi on pourra parler de courants de 2 A ou de -2 A. |
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| | **Aparté physique** : \\ |
| | On sait que les charges électriques sont en réalité des électrons qui circulent dans les fils électriques. Ainsi, l'intensité est tout simplement un débit d'électron. Tout comme le débit d'eau qui se mesure en Litre ou kg par seconde on mesure l'intensité par nombre d'électron par seconde. Plus précisément, ce qui nous intéresse c'est le nombre de charge électrique passant en une seconde. L'unité de la charge électrique est le Coulomb dû à [[https://fr.wikipedia.org/wiki/Charles-Augustin_Coulomb | Charles-Augustin Coulomb]]. Donc le débit électrique est en Coulomb par seconde noté C/s. Ainsi 1 ampère est égale à 1 C/s : 1 A = 1 C/s. Historiquement, on ne savait pas que le courant électrique était dû au déplacement d'électron donc on n'a pas utilisé cette unité de mesure. |
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| | On peut retrouver ici que l'intensité vu par l'électricien ou le physicien est identique. Pour un électricien, 1 A correspond à 1 Coulomb passant dans le sens défini positif dans un fil électrique. Alors que pour un physicien, c'est non pas +1 Coulomb mais -1 C (car les électrons ont des charges négatives) passant dans l'autre sens, le sens négatif, donc au final l'intensité est -(-1) C/s = 1 C/s = 1 A. Physiciens et électriciens ne voit pas le monde de la même façon mais font les mêmes calculs et arrivent aux mêmes résultats. |
| | **Fin de l'aparté** |
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| Loi des mailles : par une maille la somme des tensions est nulle | |
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| | ===== Loi des noeuds ===== |
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| | Cas de deux résistances en parallèles : tensions identiques, mais intensités différentes, la somme des intensités passant par les résistances = intensité délivrée par l'alimentation |
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| | Loi des noeuds : Par un point du ciruit la somme des intensités est nulle |
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