Principes de base en électricité

Comme vous l’aurez remarqué dans l’article sur l’ajout d’éléments lumineux, il y a quelques bases en électricité à connaître, afin d’éviter toute erreur lors du câblage.

Cet article n’a pas pour vocation de remplacer un véritable cours d’électronique ou d’electrotechnique. Toutefois, si vous avez un doute sur certaines formules, ou certains principes, cet article peut vous aider.

Afin d’éviter d’avoir un article à rallonge, les éléments sont rassemblés dans des menus déroulants. A vous de choisir lequel vous souhaitez voir 🙂

[toggle title=”Qu’est ce que l’électricité ?” state=”close”]

On parle d’électricité mais on ne sait pas réellement comment elle se traduit “concrètement”. Que se passe t-il dans un fil électrique pour que la lampe s’allume ?

Un début de réponse consisterait à dire que l’électricité est une énergie. Une énergie. Il y a donc quelque chose, une énergie, qui se déplace dans le fil électrique. Cette chose, c’est une quantité incroyable d’électrons. Ces électrons sont chargés positivement. Ils empruntent un canal qui est le fil électrique, pour aller de la borne + vers la borne -.

Quand ils arrivent dans l’appareil qui est branché sur le réseau, cette énergie est transformée.

Une lampe va par exemple produire de la lumière: un mince fil de tungstène dans lequel les électrons passent. Le fil est si mince qu’il chauffe. En chauffant, il s’embrase, et voila que nous avons de la lumière. Comme l’oxygène est inflammable, on enferme ce fil de tungstène dans un bulbe en verre, dépourvu de gaz inflammables. Et le filament ne brule dont théoriquement jamais. Dans le cas de la lampe, l’électricité est convertie en chaleur. C’est le même principe pour un radiateur: il contient une résistance, qui dissipe l’électricité en chaleur.

Dans le cas d’un moteur, l’électricité va circuler dans des bobines de fil électrique, et provoquer un champs magnétique, une autre forme d’énergie invisible. Un assemblage très précis d’aimants va réagir à ce champs magnétique, et va entrainer la rotation de l’axe central. L’électricité est alors convertie in fine en mouvement mécanique.

En sortant de l’appareil, les électrons qui étaient chargés positivement voient leur charge inversée: ils sont chargée négativement. Ces électrons chargés négativement reviennent au point de départ.

On peut donc considérer que les appareils que l’on branche à l’électricité ne sont rien d’autre que des convertisseurs d’énergie, qui changent la charge des électrons qui les traversent.

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[toggle title=”Les éléments conducteurs, et les éléments isolants.” state=”close”]

Vous l’aurez remarqué, l’électricité a besoin de fils électriques pour circuler. Ces fils sont généralement en cuivre, mais ils peuvent également être en aluminium.

En revanche, on ne peut pas faire passer de l’électricité dans du bois, ou bien par l’air.

Ceci est lié aux électrons. Dans un câble de cuivre, ils peuvent librement circuler. Ainsi, lorsqu’ils sont stimulés par la source d’alimentation, ils peuvent parcourir le cable. Les objets qui permettent la libre circulation des électrons sont appelés éléments conducteurs.

Un fil electrique laisse circuler les électrons: on dit qu’il est conducteur

A l’inverse, certaines autres matières bloquent partiellement ou totalement la circulation des électrons: le bois, l’air, le plastique, la céramique… Si les électrons ne peuvent traverser ces éléments, alors l’électricité ne passe pas: on dit que ces éléments sont isolants.

Les isolateurs des pylônes électriques sont fabriqués à partir d’éléments isolants comme le verre, ou certains polymères. Les électrons ne pouvant y circuler, l’électricité ne les traverse pas.

Cela pose par exemple une question: si l’air est isolant, comment la foudre peut-il le traverser ?

Effectivement l’air est isolant. Toutefois, l’eau ne l’est pas. Dans une atmosphère à taux d’humidité élevé, il y a des micro gouttes d’eau dans l’air ambiant. Une charge électrique, si elle se charge suffisamment, peut traverser l’air en empruntant les micro gouttes, qui elles, sont conductrices. Dans le cas de la foudre, le nuage est composé d’électrons chargés positivement. Lorsque la foudre frappe le sol, chargé négativement, les électrons changent de polarité: ils deviennent négatifs. La foudre est un sujet très interessant à découvrir, et à étudier, mais ce n’est pas le propos de cet article. Ce thème mérite carrément un article dédié !

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[toggle title=”Courant, tension, puissances, et leurs relations.” state=”close”]

Comme nous l’avons vu plus haut, une charge électrique s’écoule donc à travers notre fil conducteur.

L’intensité de ce courant s’exprime en Ampères, et est symbolisé par la lettre I.

Le générateur de tension fournit l’énergie nécessaire au maintien du courant. Cette tension se mesure en Volts et est symbolisé par la lettre U.

La puissance d’un appareil est le résultat du produit de l’intensité et de la tension dont il a besoin. Cette puissance se mesure en Watt et est symbolisée par la lettre P.

Sur cette dernière affirmation, on peut donc définir une première relation: P = U x I. En découlent les formules alternatives: U = P / I et I = P / U.

Très pratique, ces trois formules vous serviront souvent. Attention toutefois, elle n’est valable que si le courant est continu. Si vous avez du courant alternatif, la formule sera différente car elle tiendra compte des variations de tension. En modélisme toutefois, nous travaillons généralement sur du courant continu, donc inutile d’aller plus loin.

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[toggle title=”Courant alternatif et courant continu.” state=”close”]

Je vous parlais de courant alternatif ou continu. Mais en quoi cela consiste ?

La tension U circule dans le fil conducteur. Si elle est constante et qu’elle ne varie pas, alors le courant ne variera pas non plus: le circuit est donc à courant continu.

Si la tension U oscille entre des valeurs positives et négatives, le courant va changer régulièrement de sens. C’est un peu comme si les bornes + et – de la source d’énergie s’inversaient à intervalles régulières. On dit alors que le courant est alternatif.

La courbe de ce changement de valeur représente généralement une sinusoïde (ci dessus). Dans un courant alternatif régulier, la tension va osciller un nombre constant de fois par seconde. En conséquence on peut définir le temps T dans lequel la tension passe d’un niveau positif à un niveau négatif.

Cela permet de calculer la fréquence f. Elle s’exprime en Hertz (Hz). En France, nos installations domestiques fonctionnent sur une tension alternative de fréquence 50 Hz: chaque secondes, la tension réalise 25 cycles d’inversion de sa valeur (ligne rouge sur le graphique).

Pour autant, la majorité des appareils chez nous utilisent un transformateur qui abaisse la tension, et la transforme en signal continu. Alors pourquoi a t-on un courant alternatif qui arrive par EDF ? La raison est simple: les fils électriques qui relient les centrales aux habitations ne sont pas parfaits. Ils opposent à la tension une petite résistance, qu’ils évacuent en chaleur.

Pour comprendre ce phénomène, imaginez lorsque vous branchez plusieurs appareils sur une même rallonge. Si vous touchez le cable de la rallonge, vous finirez par sentir qu’il chauffe. S’il chauffe, c’est parce qu’il laisse passer une quantité importante de courant, et qu’une partie de ce courant se dissipe dans le cable de la rallonge. C’est grosso modo comme si le câble se comportait comme une résistance de radiateur.

Cette dissipation de courant provoque une perte d’énergie. Ainsi, à l’échelle d’EDF, l’électricité qui arrive chez le particulier subit des pertes sur le trajet. Il a été définit puis confirmé mathématiquement que cette perte était grandement réduite lorsque le courant transporté était alternatif: le cable chauffe moins, et provoque donc une perte d’énergie moins importante.

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[toggle title=”Câblage série et câblage en parallèle.” state=”close”]

Il y a deux façon de connecter plusieurs appareils électriques sur le même réseau: en série, ou en parallèle.

En branchement en parallèle toutes les bornes + sont reliées ensembles, et toutes les bornes – sont reliées ensembles. Dans cette configuration, tous les appareils recevront la même tension. C’est le courant émis par la source électrique qui sera répartis sur les différents appareils.

Ce type de branchement à l’avantage de relier les appareils de façon indépendante: si l’un d’entre eux ne fonctionne plus, alors il n’empêche pas les autres d’être alimentés en électricité, et donc de fonctionner.

C’est par exemple le câblage parallèle qui est utilisé dans l’installation électrique de votre maison: toutes les prises électriques reliées au même disjoncteur sont connectées en parallèle.

Les disjoncteurs de votre tableau électrique sont connectés en parallèle également: ils reçoivent tous du 220 Volt. Le courant, en revanche, varie d’un disjoncteur à l’autre, en fonction de la consommation des appareils qui y sont reliés.

En branchement série, c’est l’inverse: les appareils sont reliés “les uns à la suite des autres”. Ainsi, c’est la tension qui est répartie entre les appareils. Si j’ai une source électrique de 12 volts en tension, et 3 appareils identiques branchés en série dessus, dans un schéma parfait, chaque appareil recevra 4 Volts.

Le gros défaut de ce branchement est que si un appareil tombe en panne, le courant ne peut plus circuler. Il n’y a donc plus d’électricité, et aucun appareil ne fonctionne.

Par exemple, les anciennes guirlandes électriques de Noel étaient connectées en série. Quand une ampoule ne fonctionnait pas, toute la guirlande était éteinte, et il fallait vérifier les ampoules une à une pour savoir laquelle avait cramé, et la remplacer pour que tout se rallume. Il n’y avait pas de transformateur à ces guirlande, puisque la tension était répartie équitablement entre les ampoules. Si on a des ampoules de 10 Volts, alors 220/10 = 22: il fallait 22 ampoules connectées en séries pour qu’elles reçoivent toutes une tension acceptable.

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