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 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.

ORDRE DE GRANDEUR : dans un mm3 de cuivre combien y a-t-il d'électrons ?

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.

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.

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.

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.

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.

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

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.

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.

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.

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.

Voir lien externe : Mentalité Ingénieur : La Tension expliquée

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.

L'utilisation de courant électrique semble sans limite tant que l'homme inventera des appareils utilisant la physique de l'électron : l'électromagnétisme.

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.

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.

IMAGE CIRCUIT DE BASE

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.

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.

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).

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.

Au générateur de tension constante, vous allez brancher un de ces quatre appareils électriques : résistance, lampe à incandescence, LED+résistance, moteur.

Une résistance n'a pas de sens donc vous pouvez la brancher comme vous voulez au générateur.

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.

La lampe à incandescence est un peu comme une résistance de faible valeur mais elle fait de la lumière en plus.

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 !

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 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

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.

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.

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.

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.

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.

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 Alessandro Volta. On utilise souvent cette unité mais aussi ses multiples proche comme le mV = 0,0001 V et le kV = 1000 V.

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 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 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.

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