Qu'est ce que l'électricité ? Quelle est la nature du courant dit électrique ? Pourquoi une lampe s'allume quand j'appuie sur l'interrupteur ? Si vous vous posez ces questions cette formation est faîte pour vous. Vous y apprendrez simplement ce qu'est physiquement un courant électrique et pourquoi une lampe à incandescence brille. Vous serez capable de faire et comprendre votre premier circuit électrique. Tout aussi important vous saurez utiliser un multimètre pour mesurer des tensions et des intensités et ainsi tester des piles ou des adaptateurs électriques. Vous comprendrez et verrez comment est construite une multiprise.

Nous commencerons cette formation par voir la physique derrière l'électricité. Puis nous irons très vite sur des choses concrètes : la mesure de tensions de piles et adaptateurs électriques. Avec une lampe, un moteur ou une résistance, cela nous permettra de mesurer en action les tensions d'un petit circuit électrique et de découvrir la loi des mailles. Enfin, nous utiliserons le multimètre pour mesurer des intensités afin de contrôler le courant électrique passant dans nos appareils électriques. Cela nous permettra aussi de tester la loi des nœuds, fondamentale en électricité.

Pour d'autres ressources pédagogiques voir : chapitres 1 et 2 du cours Tome 1, les vidéos YouTube suivantes Mentalité Ingénieur : Apprenez comment utiliser un multimètre! et Électro-Bidouilleur : EB_#1 Introduction au Multimètre.

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.

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. Cependant dans certain matériaux comme les métaux, certains électrons sont libre, cela veut dire pour schématiser qu'il peuvent se déplacer librement tant qu'il reste dans le matériau.

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.

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.

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.

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 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.

Voir lien externe : Mentalité Ingénieur : La Tension expliquée

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.

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.

Aparté physique :
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

Voir comme lien externe : Mentalité Ingénieur : Courant Conventionnel et Flux d'électrons

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 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.

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.

Questions :

1. Si on relie par un unique fil le culot de la lampe au plot de la lampe fermant ainsi le circuit, la lampe brillera-t-elle ?
2. Si au lieu de prendre deux fils, on relie directement le plot et le culot aux bornes + et - de la pile, la lampe brillera-t-elle ?
3. Si on relie par un fil la borne positive à celle négative de la pile, que se passe-t-il
4. Et si on fait de même mais avec du plastique ?
5. Que se passe-t-il si on touche les bornes + et - de la pile ?

Réponses :

1. La lampe ne brillera pas, le circuit est bien fermé mais il n'y a rien pour pousser les charges électriques. Donc pas de charge en mouvement, pas d'échauffement dans le fil, par de lumière. Il manque la pile qui est le composant qui met en mouvement les charges
2. La lampe brillera de la même façon que s'il y avait des fils. Les fils ne sont ici qu'un moyen pour transporter le courant électrique mais il ne change rien à ce courant, n'opposant pas de vraie résistance comparé à la lampe.
3. Déjà, il ne faut pas le faire. C'est ce que l'on appelle faire un court-circuit. Un courant va traverser le fil pour faire passer les charges électriques de la borne + à - mais ce fil n'a quasiment pas de résistance, donc le courant va être très grand (en pratique pas tant que cela car la pile ne peut pas fournir un grand courant). Le résultat n'est pas dangereux pour vous mais va être mauvais pour la pile. Cette dernière va très vite se décharger et va chauffer. Au bout de quelques dizaines de minutes, la pile sera morte.
4. L'isolant à la différence de la pile ou de la lampe ne va pas permettre au courant électrique de passer. Donc il ne se passera rien. Dans les fait, les bornes + et - sont toujours relié entre elle par de l'air mais étant un très bonne isolant, il ne se passe rien.
5. Vous n'êtes pas un isolant parfait, ainsi même pour quelques volts un courant va passer à travers vous. Mais pas de panique, aux tensions de la pile quelques volts, le courant traversant votre corps est très petit, bien plus petit que 0,1 mA, ce qui est sans danger.

La tension étant une grandeur fondamentale en électronique, il vaut mieux pouvoir la mesurer facilement. Pour ce faire, l'outil de mesure de base est le voltmètre qui se trouve dans un multimètre. Prenez donc un multimètre et mettez le en position voltmètre. Vous avez deux fils qui sortent du multimètre : un, noir, sur la position COM et un autre rouge sur la position Volt. Nous allons regardez la tension pour une pile sans charge c'est à dire qui n'est pas relié à un composant électrique qui ne délivre donc pas de courant. Branchez les deux fils du multimètre sur chaque pôle de la pile. Le mieux est de mettre le fil noir sur le pôle négatif et le rouge sur le positif pour avoir une mesure positive, sinon vous aurez la même valeur mais en négatif si vous inversez les pôles. Le multimètre en mode voltmètre vous donne alors la valeur de la tension de votre pile (attention au calibrage, choisissez toujours un calibre plus grand que la tension à mesurer, sinon vous aurez la valeur OL = OverLoad = trop grand). Les voltmètre peuvent mesurer des tensions de quelques millivolt (mV) à un milliers de Volt.

Imaginez que vous ayez une pile, sans repères vous indiquant la borne positive ou négative. Comment savoir qui est qui ? Avec le voltmètre, le fil noir relié à la borne COM a par défaut un potentiel de 0 V. Ainsi si vous lisez une tension de 1,5 V, cela signifie que le fil rouge est branché sur un pôle ayant un potentiel de 1,5 V donc plus grand que le potentiel du fil noir. Vous savez alors que le pôle du fil rouge est le + de la pile et l'autre le -. A l'inverse, si vous voyez un potentiel de -1,5 V, cela veut dire que le potentiel du pôle du fil rouge est plus petit donc le fil rouge est sur le pôle - et le fil noir sur le pôle +.

Cas de deux résistances en série : intensité identique passant par les résistances, mais tensions différentes, la somme des tensions = tension de l'alimentation

Loi des mailles : par une maille la somme des tensions 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 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.

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.

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 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.

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

Cas de deux résistances en parallèles : tensions identiques, mais intensités différentes, la somme des intensités passant par les résistances = intensité délivrée par l'alimentation

Loi des noeuds : Par un point du ciruit la somme des intensités est nulle