Electricité – Informaticiens du bâtiment

Supports de cours:

Résumés

Table des matières

Composition de la matière

Depuis le savant grec de l’antiquité Démocrite, il y a l’idée qu’un corps simple de matière (par ex: carbone, oxygène, silicium, or, argent, chlore, uranium, hydrogène, helium, fluor, fer, cobalt, etc…) ne peut pas être coupé jusqu’à l’infini. On va forcément à un moment donné tomber sur une sorte de « pixel » insécable. En grec « qu’on ne peut pas couper » se dit « Atome« .

Le tableau périodique des éléments nous renseigne sur la centaine d’atomes qui composent notre réalité matérielle.

En fait on a découvert qu’on peut quand même casser les atomes…
(mais on a plus des corps simples)

Les atomes sont composés de protons, d’électrons et de neutrons.

Chaque atome a un noyau qui est composé de protons et parfois de neutrons. (c’est là l’origine du mot « nucléaire » = relatif au noyau)

Puis un certain nombre d’électrons « gravitent » autour des noyaux.

Les protons déterminent le numéro atomique (Z). On part avec l’Hydrogène tout en haut à gauche qui n’a qu’un seul proton dans son noyau et un électron. Puis on continue en ajoutant des protons (et des neutrons) au noyau. Plus on avance dans le tableau, plus les éléments sont denses, lourds et instables.

Les éléments les plus instables sont trop lourds et se désintègrent tout seuls. C’est ça la radio-activité.

Voici un simulateur pour jouer à construire des atomes…

Forces élémentaires de l’univers

Les interactions entre les éléments de la matière se font via 4 forces fondamentales. Ce sont l’interaction nucléaire forte, l’interaction électromagnétique, l’interaction faible et l’interaction gravitationnelle.

Ces forces agissent sont caractérisées par leur distances d’action et leur intensité.

La force nucléaire tient ensemble les noyaux, elle est très forte, mais agit à courte distance. 2,5 × 10⁻¹⁵ m
La force électromagnétique (unification électrofaible), est responsable de la cohésion des molécules. Elle agit à notre échelle. C’est elle qui nous permet d’avoir la sensation de toucher du concret et de ne pas passer à travers une chaise quand on s’assied.
La force de gravitation maintient ensemble les grandes masses, les planètes, les étoiles. Elle agit très loin, mais de façon plus faible que les forces précédente.

Ainsi la force principale qui concerne notre échelle de perception de l’univers, c’est la force électromagnétique. C’est le domaine de la chimie.

Les propriétés chimiques des éléments sont déterminés par les électrons et surtout la dernière couche d’électrons qui va avoir tendance à favoriser les associations ou non avec d’autres éléments pour former des molécules.

La dernière couche électronique qu’on appelle la couche de valence, a potentiellement 8 places pour des électrons. Si la couche est incomplète elle va cherche à en donner ou en partager avec d’autres pour trouver un bon équilibre.

On utilise le modèle de Lewis, un modèle simplifié pour observer les combinaisons possibles.

Voici un exemple avec de liaisons chimique qui se fait avec la molécule de CO₂

Représentation des liaisons chimiques dans le CO₂ : chaque atome compte huit électrons, comme le veut la règle de l’octet ; la molécule de CO₂ est donc stable.

Charge électrique

Quelle est la force qui fait tenir ensemble touts ces particules ?

Une des principales propriété de particules qui compose les atomes est leur charge électrique.

Les protons ont une charge électrique positive, alors que les électrons ont une charge électrique négative. (et les neutrons sont… neutres !)

A l’images des hommes et des femmes, les charges de signes opposés ont tendance à s’attirer.

La charge électrique élémentaire e ≈ 1,602 × 10⁻¹⁹ Coulombs [C]

Un atome équilibré est globalement neutre électriquement. Les charges s’annulent. Mais parfois, il y a des associations qui créent des déséquilibres, des atomes ou molécules ne sont pas neutres électriquement. On appelle ceci des ions. (anion – et cation +)

Par exemples une molécule d’eau H₂O qui a un atome d’Hydrogène supplémentaire devient un ion hydronium. H₃O⁺

Electricité statique …. et courant électrique

On a tous fait l’expérience de descendre d’une voiture et de se faire secouer avec une grosse étincelle quand on ferme la porte.

Ou alors en marchant sur une moquette, on peut se charger en électricité et en touchant une autre personne ça peut être le coup de foudre !

L’électricité statique (aussi appelée triboélectricité) nous montre qu’il est possible de charger et de décharger des objets avec de l’électricité. Il y a des tensions parfois très grandes qui se créent. En marchant sur une moquette je peux me charger à 25000 Volts.

Ce phénomène est connu depuis l’antiquité. On le pratiquait en frottant un bâton d’ambre avec une peau de chat. C’est d’ailleurs le nom grec de l’ambre, ἤλεκτρον / ḗlektron, qui est à l’origine du mot « électron » et donc « électricité ».

Après la charge, vient la décharge.

La décharge est capable de créer un arc électrique. C’est un rééquilibrage. C’est le principe de la foudre.

Ici on observe qu’une différence de potentiel électrique peut mettre en mouvement des électrons.

Ce mouvement d’électrons dans un corps conducteur s’appelle un courant électrique !

On peut imager ceci par l’énergie potentielle qu’on peut stocker dans en déplaçant des masses en hauteur. C’est le principe du barrage qui stocke de l’eau. J’ai un potentiel qui peut me créer un courant d’eau dans ma rivière entre le haut de la montagne et la mer. C’est un rééquilibrage.

La magie de l’électricité

Au 18ème siècle les nobles jouaient avec l’électricité statique.

L’abbé Nollet a conçu des espèces de tours de magie pour attirer des objets quand on est chargé électriquement.

Voici la machine de Wimshurst qui permet de créer des arcs électriques grâces aux frottements.

On peut aller plus loin en stockant l’énergie électrique.

Il est par exemple possible de charger une bouteille de Leyde avec un générateur électrique à friction, puis de jouer à électrocuter ses voisins, ou faire dresser les cheveux sur la tête !

La bouteille de Leyde et les éclateurs à étincelles ont servi de base pour les premier émetteur radio à étincelles.

On charge la bouteille de Leyde avec une machine de wimhurst, puis on la décharge d’un coup par court circuit !

La vidéo de cette expérience:

En créant des arcs électriques avec une machine de Wimshurst on va créer des ondes électromagnétiques. Celles-ci viennent perturber le beamer. L’image saute à chaque coup de foudre. Hors vidéo, nous avons même eu une interruption totale de l’image: écran bleu !

Plus loin nous étudierons la nature des ondes électromagnétiques.

Pile électrique de Volta

En 1800 Alessandro Volta invente la pile électrique. C’est une manière de créer un courant électrique.

Le nom de la pile, vient directement de l’invention de Volta qui est une pile d’éléments de cuivre et de zinc séparés par du feutre imbibé d’eau salée (ou acide).

En vrai, voilà ce que ça donne.

L’électricité, c’est le mouvement d’électron libre (porteur de charge électrique) dans un corps conducteur.

L’astuce de mise en mouvement d’électron consiste plonger les deux métaux de nos électrodes dans un liquide nommé électrolyte (composé d’ions mobiles, donc d’atome non neutre, donc électriquement conducteur).

Le plus simple c’est de l’eau salée. (l’eau pure H₂O, distillée, n’est pas conductrice) Les acides sont aussi des bons électrolytes. On utilise par exemple l’acide sulfurique H₂SO₄ dans les accumulateurs de voiture (batteries au plomb).

Dans ce liquide électrolyte, le zinc s’oxyde et perd des électrons. Tandis que le cuivre réduit l’eau en lui piquant des électrons. (l’hydrogène restant de la molécule d’eau réduite se dégaze)
On a donc ici globalement une réaction d’oxydoréduction.

Ce passage d’électrons de l’anode (Zn) à la cathode (Cu) via l’électrolyte va déséquilibrer électriquement les électrodes. Ainsi il suffit de placer un conducteur entre ces deux électrodes pour permettre un rééquilibrage. Il y a un courant électrique qui va circuler aux bornes de notre pile électrique.

Ce processus va continuer jusqu’à ce que l’anode de zinc se désagrège complètement sous l’action de l’oxydation.

Suite à une oxydation du Zinc dans le liquide, des électrons migrent du Zinc au Cuivre via un liquide acide. Ce déséquilibre a tendance à créer une source d’électricité aux bornes + et – de cette « pile ». On peut utiliser cette forme d’énergie dans la résistance R.

Et en vidéo voici quelques expériences pour fabriquer une pile de volta.

Tension électrique

Ce dispositif de pile permet de générer une force qui va mettre en mouvement des électrons. On parle de « force électro-motrice« . On l’indique: E (f.é.m)

La force électro-motrice est la tension à vide. Celle que l’on mesure sur un testeur de pile.
La tension se mesure en Volt. C’est l’unité de mesure que l’on a nommée ici en l’honneur d’Alessandro Volta.

(Parfois il y a des gens qui parlent de « voltage » c’est un anglicisme)

Dès que l’on branche une charge sur la pile, il y a une chute de tension.
Donc ce n’est pas une mesure fiable de l’état de la pile que de la tester à vide. Mieux vaut la tester en charge.

La résistance interne Ri de la pile est la résistance qui limite le déplacement des électrons dans le liquide électrolyte. Cette résistance interne a tendance a augmenter quand la pile vieilli. Donc la pile peine à fournir du courant, même si dans la mesure à vide, la force électromotrice n’a pas baissée.

La tension en charge U vaut la f.é.m E (tension mesurée à vide) moins la chute de tension au borne de la résistance interne R_i.

\[ U = E – R_i \cdot I \]

Plus il y a d’éléments en série, plus la tension est grande

Le principe générateur de tension fonctionne avec un seul élément cuivre + zinc séparé par du feutre imbibé d’eau salée.

Avec un seul élément la tension générée est petite. On a une tension de l’ordre de 1V.

Si l’on veut augmenter la tension on va empiler des éléments, les ajouter en série. Donc avec 20 éléments on peut obtenir 20 Volts.

Pile fabriquée avec du sulfate de cuivre et des patates. On additionne les tensions de chaque patate.

Evolution de la pile

La pile n’est pas une forme pratique, car elle sèche facilement. Donc il y’a d’autres formes qui sont inventées. Comme par exemple la pile Leclanché.

A droite: pile Leclanché de l’armée Suisse en 1987

intérieur de la pille « bulle glock » (à gauche)

Pile chez les grands anciens

Habituellement on date l’invention de la pile électrique vers 1800.

Mais l’archéologie découvre que la pile pourrait être plus ancienne.

Il existe un artefact controversé, la pile de Bagdad.
Cette pile fonctionne. Mais il y a toujours débat sur l’idée avoir de l’électricité il y a 2000 ans !

Une des utilisations possible peut être la galvanoplastie. Dans la bijouterie on peut plaquer une fine couche de métal sur des objets.

En Inde aussi on a des traces anciennes de piles électriques.

Il semble que le vieux sage Agastya a utilisé du sulfate de cuivre (nommé cou de paon, en lien avec la couleur), ainsi que du cuivre et zinc dans des poteries pour produire du courant électrique.

Reconstitution d’un élément de la pile d’Agastya au sulfate de cuivre.

Les piles c’est pas sorcier….

Type de piles

Il existe cinq techniques de piles grand public :

pile saline → fourni un petit courant. Quasi plus utilisée
pile alcaline → fourni un plus grand courant, donc une plus grande puissance et meilleure capacité que la saline. Electrolyte (KOH) sous forme de gel, donc ne coule pas.
pile au lithium → Haute densité énergétique et pile légère.
pile à l’oxyde d’argent → certaines piles boutons pour montres
pile zinc-air → utilisée dans les audioprothèses

Quelle est la différence entre les piles saline et les piles alcalines ?
La réponse c’est la solution….
Jamy dans c’est pas sorcier à propos des piles…

La solution, donc l’électrolyte utilisé. C’est la composition de l’électrolyte qui détermine la résistance interne de la pile. Si les électrons peuvent se déplacer plus vite, le courant que la pile peut délivrer est plus grand. Un débit d’électron plus grand, c’est une plus grande puissance à disposition. (+ d’énergie dans le même temps)

Format de piles

Pour désigner des piles il existe des formats de piles normalisés.
Comme souvent il y a deux types de normalisation. La version Internationale CEI et la version américaine ANSI:

Voici les dénominations dans l’ordre. Avec en premier le nom normalisé CEI et parfois le nom normalisé ANSI:

3LR12 – ou pile 4,5 V-
LR20
R14
LR6 – ou parfois AA
LR03 – ou parfois AAA
LR8D425 – ou parfois AAAA
8LR932 – A23, 12 V
6LR61 – ou pile 9 V
CR2032
LR44

Le nom CEI permet d’indiquer plusieurs informations:

le nombre d’élément de base utilisés et donc la force électromotrice associée. (Ex: 3 x 1,5V = 4,5 V ou 6 x 1,5 V = 9V)
les matériaux utilisés:
- L → Alcaline-manganèse
- S → Oxyde d’argent
- H → Hydrure
- B, C, E, G ou U → Lithium
la forme: Rond, F plats, S parallélipipédiques.
la dimension de la pile.

Pour le détail des différents formats de piles. Voici la page wikipedia des différents formats de piles…

Tension d’un élément de pile suivant les matériaux

Suivant la nature des matériaux utilisés, la tension d’un éléments de base n’est pas la même.

Les piles alcalines ont une tension de 1,5V
Les piles lithium ont une tension de 3 à 3,6 V

Cette tension dépend de la capacité de l’anode à donner des électrons et de la cathode à capter des électrons. On parle de potentiel Redox E⁰. Plus la différence entre les deux est grande plus la tension de la force électromotrice est grande.

Pour une pile Zn/Cu :

Cathode (Cu²⁺/Cu) : E⁰ = +0,34 V
Anode (Zn²⁺/Zn) : E⁰ = −0,76 V

Tension : 0,34 − (−0,76) = 1,10 V

Accumulateur

L’accumulateur est souvent faussement appelé « pile rechargeable ». C’est techniquement pas très juste, mais ça explique bien ce que c’est !

Accu 12V d’une visseuse composé de plusieurs éléments

Batterie au plomb

L’accumulateur au plomb est le plus ancien. (Gaston Planté 1859)
Une batterie est la mise en commun de plusieurs éléments.

Ce type d’accumulateur est toujours utilisé de nos jours dans toutes les voitures pour alimenter (entre autre) le démarreur électrique.
(Historiquement c’est aussi ce type d’accu qui a permis d’alimenter la Jamais contente, la première voiture électrique à dépasser les 100 km/h en 1899.)

L’accumulateur est composé de:

pôle + → dioxyde de plomb
pôle – → plomb pur spongieux
électrolyte → acide sulfurique H₂SO₄ (~30% dilué dans de l’eau)

La tension nominale d’un élément de type plomb–acide est de 2,1 V.

Lors de la décharge:

le plomb s’oxyde et le dioxyde de plomb se réduit.
ils se combinent avec l’acide sulfurique → Sulfate de plomb
l’accu est déchargé quand les deux plaques sont couvertes de sulfate de plomb

Lors de la charge:

le sulfate de plomb se transforme:
- en plomb sur l’électrode négative
- en dioxyde de plomb sur l’électrode positive
il y a libération d’acide sulfurique

Pour charger un accu, il suffit de brancher le + du chargeur sur le + de l’accu et le pôle – du chargeur sur le – de l’accu.

Dans cette vidéo, à 9:09 il y a l’explication détaillée du fonctionnement chimique de l’accu au plomb.

Types d’accumulateur

Il existe beaucoup de types d’accumulateurs, voici quelques types notables:

L’accumulateur (Batterie) au plomb – acide.
L’accumulateur Ni-Cd (nickel-cadmium) → Interdit en europe depuis 2006
L’accumulateur Ni-MH (nickel-hydrure métallique)
L’accumulateur Li-ion (lithium-ion)
L’accumulateur Li-ion-Polymère – Li-Po
L’accumulateur lithium-fer-phosphate – L.

Voici les caractéristique de chaque type:

Type d’accu	Utilisation	Avantage +	Inconvénients –
Plomb-acide	Automobile, installation fixe (par ex: photovoltaïque avec type GEL → électrolyte stabilisé dans de la silice. Pas de dégazage.)	Robuste, faible coût	Lourd
Ni-Cd (nickel-cadmium)	Interdit depuis 2006 pour le grand public en europe. Equipement de secours, notamment dans les avions.	Résistance au chocs, large plage de température (−50 °C à +70 °C), longue dure de vie. ~15 ans.	effet mémoire, très toxique et nocif pour l’environnement.
Ni-MH (nickel-hydrure métallique)	Voiture hybride. Par ex: Toyota Prius pile rechargeable	+ écologique que Ni-Cd, + de capacité que Ni-Cd. Pas de lithium	Dépassée par rapport au lithium, durée de vie plus courte que Ni-Cd. Détection de fin de charge complexe.
Li-ion (lithium-ion)	Accus le plus courant actuellement. Smartphone (notamment iPhone), ordinateur portable, appareil photos, piles rechargeables, vélo électrique, voiture électrique (avec type NMC Nickel-Manganèse-Cobalt).	densité massique d’énergie 5 fois plus grande que Ni-MH, aucun effet mémoire, faible auto-décharge	Potentiellement explosive. Ne supporte pas la décharge profonde. Plage de charge préférée entre 10% et 80%. Le type: NMC contient du Cobalt géopolitiquement dur à obtenir.
Li-ion-Polymère Li-Po	L’électrolyte est un polymère gélifié, ainsi peut prendre toutes les formes possibles. Utilisé pour certains smartphone, drone, modèle réduits, avion solaire de Piccard.	Même caractéristique que le li-ion simple, mais peu prendre des formes plus fines.	Plus cher que Li-ion simple, moins de densité énergétique que Li-on simple.
LFP-lithium-fer-phosphate.	Voiture électrique Tesla, Volkswagen et chinois, robotique. Stockage photovoltaïque.	Moins chère que Li-ion classique. Moins polluante, moins dangereuse en risque d’incendie. + de cycle de charge que Li-ion-NMC → donc longévité + grande. + grand courant de charge et décharge → + de puissance et charge plus rapide (80% de la capacité en 2h).	densité d’énergie inférieure d’environ 14 % à celle des batteries Li-ion

A surveiller les accus graphène aluminum, peut être le futur.

Les accus Ni-MH grand public de type HR3 (AA), HR6 (AAA) ont une tension de 1,2V.

Batterie de 90Ah au plomb-acide, avec un électrolyte stabilisé dans un GEL. Cette batterie est utilisée pour le stockage d’énergie photovoltaïque.

Capacité d’une pile ou d’un accumulateur

Si l’on compte le nombre d’électron que peut contenir une pile ou un accumulateur nous obtenons une grandeur qu’on appelle la quantité d’électricité.

La quantitié d’électricité Q exprimée en Coulomb. [C]

\[ Q = I \cdot t \]

I → intensité du courant en ampère [A]
t → temps en [s] pendant lequel le courant circule.

Plus couramment la capacité d’un accu ou d’une pile est exprimée en Ampère-heure [Ah]

1 Ah = 3600 C
1 C = 1A * 1s → [As]

Les piles ont généralement une capacité indiquée en milliers de miliampère-heure mAh.

Pile Alkaline de 3000 mAh (indication plutôt rare sur une pile)

Les power bank ont des capacités allant jusqu’à 27Ah, ce qui correspond à ~100Wh pour une tension de 3,7 V. Ceci correspond à la réglementation sur le transport aérien qui interdit des batteries de plus de 100Wh dans les bagages à main.

Voici comment convertir des mAh généralement indiqué sur le power bank en Wh:

\[ \frac{Capacité [mAh] \cdot U [V]}{1000}= Capacité [Wh] \]

Exercice:

Quelle est la capacité en Wh d’un power bank de 27 000mAh de capacité ?

solution

Sachant que pour un Powerbank lithium-ion courant, la tension U est de 3,7V, nous utilisons la formule ci-dessus.

\[ \frac{Capacité [mAh] \cdot U [V]}{1000}= Capacité [Wh] \]

\[ \frac{27000 \cdot 3,7 }{1000}= 99,9 [Wh] \]

Exercice:

Calcul de la résistance interne.

Une pile de f.é.m E = 1,5 V débite un courant de 0,25 A dans une résistance de 5 Ω. Calculer dans ce cas la tension aux bornes de la pile et la résistance interne de la pile.

Solution

On a l’équivalent de deux résistances en série: la résistance interne Ri + la résistance de charge R.

On a E = 1,5V
I = 0,25 A
U = ?
Ri = ?

R_équivalente = E/I = 1,5 / 0,25 = 6 Ω
Ri = R_équivalente – R = 6-5 = 1 Ω

Le courant est le même dans tout le circuit.

Ui = Ri * I = 1 * 0,25 = 0,25 V
E = U + U_i → U = E – Ri *I

U = 1,5 – 1*0,25 = 1,25 V

La tension en charge U vaut la f.é.m E moins la chute de tension au borne de la résistance interne Ri. (Ui = Ri * I)

Exercice pratique → Comment déterminer la résistance interne Ri d’une pile ?

Solution

Il faut plusieurs étapes:

mesurer la tension à vide: E (la force électro motrice)
mesurer la tension en charge, avec une résistance R_charge connue
calculer le résistance interne R_i

On se base sur la loi d’ohm: R = U/I
La différence entre les deux mesures de tension me donne U
Et le courant vaut I=U/R selon la loi d’ohm. Comme je connais la résistance. J’ai tout ce qu’il me faut.

\[ R_i = \frac{E-U}{I} \]

\[ R_i = \frac{E-U}{ \frac{U}{R_charge}} \]

Exercice temps d’autonomie

J’ai une batterie au plomb de 5Ah de capacité en 12v pour alimenter une pompe qui consomme 4W alimentée via USB 5V.

Combien de temps peut tourner la pompe ?

Solution

Calcul de l’énergie disponible dans la batterie.

\[ Énergie \space [Wh] = Tension \space [V] \cdot Capacité \space [Ah] \]

\[ Énergie = 12 \cdot 5 = 60 \space Wh \]

Puis on calcule la consommation de la pompe.

La pompe consomme une puissance de 4W sous 5V.
Quel est le courant consommé par la pompe ?

\[ I_{pompe} = \frac{P_{pompe}}{U_{pompe}} \]

\[ I_{pompe} = \frac{4}{5} = 0,8 \space A \]

Que consomme ma pompe en 1 heure ?

La puissance, c’est l’énergie par unité de temps. Donc ici je vais utiliser l’heure comme unité de temps vu que j’ai une énergie indiquée en [Wh]. Ainsi mon énergie consommée vaut:

\[ Energie \space [Wh] = P_{pompe} \cdot \space t \]

Donc pour 1h, j’aurai:

\[ Energie \space [Wh] = 4 \cdot 1 = 4 \space Wh \]

Ainsi je peux calculer combien de temps peut tourner ma pompe alimentée par ma batterie.

\[ Autonomie \space [h] = \frac{Énergie}{puissance} \]

\[ Autonomie = \frac{60 \space Wh}{4 \space W} = 15 \space [h] \]

Ensuite, on peut encore ajouter des subtilités pour rendre l’exercice plus réel.
Si j’alimente en USB 5V ma pompe à partir d’une batterie au plomb de 12V. J’ai un convertisseur DC/DC à traverser. Il peut y avoir une perte de rendement. On peut estimer le rendement à 85%.

Donc au lieu de 15h d’autonomie nous avons plus que 0,85*15 = 12,75h

Sachant également que la batterie au plomb ne doit pas être vidée complétement pour améliorer sa durée de vie. Il faut encore réduire de ~30% la durée d’autonomie. On arrive donc à une autonomie d’environ 9h

Peut être qu’il est temps de passer à une batterie LiFePo4 (Lithium fer phosphate) qui supporte une charge profonde.

Références:

Voici le support de cours pour toutes les bases de l’électricité. Le chapitre 6.2 aborde particulièrement les piles électriques.

FET 01_2014 fascicule électrotechnique Télécharger

Voici un simulateur de circuits électriques….

Champ électrique

Le but de ma pile, c’est de créer une différence de potentiel électrique. Aussi nommé la tension U dont l’unité de mesure est le Volt.

On va ici reprendre la théorie pour bien comprendre de quoi on parle. Voici une analogie montagnarde.

La différence d’altitude d’un point sur ma montagne est potentiellement une source de force qui peut mettre en mouvement des objets.

Si je cartographie chaque point de ma montagne, je peux lui associer une valeur de potentiel (à l’image de courbe de niveau sur une carte). Puis je peux même lui associer une flèche de direction dans le sens où une masse va se diriger si je la pose à cet endroit. (Par exemple si je verse un seau d’eau dans un pâturage de montagne, dans quelle direction l’eau va couler.)

Pour la météo c’est le même principe. Il y a des hautes pressions atmosphériques (anticyclone) et des basses pressions. Les molécules cherchent à se rééquilibrer. Il y a du vent qui se crée entre les hautes et basse pressions.

On représente aussi ce genre de phénomène sur des cartes météo isobariques.

On peut aussi représenter un champ de température de la même manière.

Un champ électrique est le même principe. Pour chaque point de l’espace ont définit un potentiel électrique et une direction. En physique on parle de champ vectoriel.

Ce champ est est la représentation spatiale de l’influence des charges électriques pour chaque point de l’espace.

On exprime la valeur d’un point du champ électrique en Volts par mètre. [v/m]

On peut aussi le définir à l’aide d’une force par unité de charge électrique donc en Newton par Coulomb [N/C].

Pour introduire la suite, si l’on met en mouvement les charges d’un champ électrique, on crée un champ magnétique !

Et un champ magnétique va induire un champ électrique… et hop on recommence….
On appelle ceci une onde électromagnétique !

Oscillations couplées d’un champ magnétique rouge et d’un champ électrique bleu.

Donc on va s’intéresser maintenant au magnétisme.

Magnétisme

https://www.youtube.com/watch?v=zDOlKllbW2M

Champ magnétique d’aimant permanent

Il existe des matières qui sont naturellement magnétique. On parle d’aimants.

Historiquement les premiers aimant sont souvent en magnétite, une roche de fer oxydées.

Les aimants peuvent s’attirer et se repousser selon leur polarité. Un aimant est toujours bi-polaire. Il a un pôle Nord rouge et un pôle Sud vert .

les polarités de même signe se repoussent (ex: nord <-> nord )
les polarité de signe opposés s’attirent (ex: nord >< sud)

Si on coupe un aimant en 2, on aura deux aimants avec chacun un pôle nord et sud. Il est impossible de séparer ces pôles.

Si l’on place des matériaux magnétiques autour d’un aimant (comme de la limaille de fer), on peut observer des lignes de champs. On voit que les lignes sortent du pôle Nord rouge pour rejoindre le pôle Sud vert .

Exemples de lignes de champs selon la forme des aimants

Type d’aimantation selon les matériaux utilisés

L’aimantation dépend beaucoup de la structure des matériaux. On peut considérer de façon simplifiée qu’un atome est un mini aimant.

Dans un matériaux brut, ces petits aiment sont orientés au hasard dans toutes les directions. Leur effets s’annulent globalement.

Si on place un matériaux dans un champ magnétique, ça peut avoir pour effet d’aligner tous les petits aimants dans la même direction. On a donc un gros aimant. Le matériaux devient magnétiques.

Les différents matériaux ne réagissent pas de la même manière aux champs magnétiques. Certains renforcent le champ magnétique, d’autres s’opposent à ce champ, de façon temporaire ou définitive et d’autres matériaux sont très très peu sensibles au magnétisme.

Type d’aimantation	Description	Exemple de matériaux
Amagnétique	Idéalement non magnétique	Air, plastique, papier, Inox des éviers
Diamagnétique	Génère un champ magnétique opposé, très faible et temporaire. (supraconducteur et lévitation) → A notre échelle non-magnétique	Eau, cuivre, argent, or, graphite, verre, silicium, plomb, mercure
Paramagnétique	Aimantation très faible et temporaire → A notre échelle non-magnétique	Aluminium, platine, sodium, magnésium
Ferrimagnétique	Aimantation naturelle, phénomène d’hystérésis. (inclu dans les ferromagnétiques)	Magnétite (Fe₃O₄),
Ferromagnétique	Les moments magnétiques s’alignent spontanément même sans champ appliqué. Fort phénomène d’hystérésis, forte aimantation.	Fer, nickel, cobalt, acier, inox des couteaux

On peut simplifier ce tableau en trois catégories: les matériaux fondamentalement non magnétique, voir même « isolants ». Les matériaux dont le magnétisme est trop faible pour une action significative à notre échelle et les matériaux magnétiques que l’on va utiliser dans les moteurs et générateur électriques.

a-magnétique: air, plastique, papier.
non-magnétique (ou trop faible pour les machines magnétiques): Alu, cuivre, plombe, argent, or, etc…
Ferro-magnétique: Fer, nickel, cobalt, acier.

L’alu est très faiblement magnétique, il ne change pas significativement les lignes de champ

Le fer est fortement magnétique, il concentre les lignes de champ

Durée d’aimantation

Dans les matériaux ferromagnétique, il y a encore deux catégories:

l’aimantation temporaire → perd son aimantation si le champ magnétique extérieur disparait → ferromagnétiques doux. (Fer doux, )
l’aimantation permanente → garde son aimantation même si le champ magnétique extérieur disparait → ferromagnétiques durs (aimants permanents: AlNiCo, ferrites dures)

Les matériaux à aimantation temporaire permettent de créer des électroaimants. C’est très utilisé, dans les relais, les sonnettes, les disjoncteurs, les moteurs, les transformateurs, etc.

Les aimants permanents sont plutôt utilisés dans certains moteurs, instruments de mesures, disques durs et haut-parleurs.

Désaimantation

L’aimantation peu disparaitre (ou s’atténuer) de plusieurs façons:

en chauffant au dessus du point de Curie. → L’agitation thermique désaligne les atomes. (fer: 768°C, nickel: 360°C, cobalt: 1131°C)
en soumettant l’aimant a un champ magnétique alternatif d’intensité décroissante.
Suite à un choc.

Il est courant qu’un tournevis s’aimante au contact d’un aimant.

Si on veut le désaimanter, on peut le soumettre à un champ magnétique d’une bobine branchée sur le réseaux électrique à 50Hz et s’éloigner gentiment pour créer une intensité décroissante.

Champ magnétique terrestre

La Terre a un champ magnétique: la magnétosphère.

La Terre joue le rôle d’une grande dynamo ce qui provoque un champ magnétique.

Ce champ magnétique protège la Terre contre les vents solaires issus des éruptions solaire. Cependant, les pôles sont moins protégés, ainsi le rayonnements parvient mieux à s’y infiltrer, ionise l’atmosphère ce qui provoque des émissions de lumières: des aurores boréales.

Les aurores boréales sont même venues jusqu’en Suisse.

Aurore boréale le 5 novembre 2023 depuis Haut-Nendaz.

Aurore boréale le 5 novembre 2023 depuis le Rigi.

Aurore boréale du 11 mai 2024 depuis le JungfrauJoch

Aurore boréale du 10 mai 2024 depuis Ravoire en Valais.

Mouvement du Pôle nord magnétique

La boussole est un instrument de navigation qui indique le nord. Son utilisation est attestée depuis des siècles.

Le Nord magnétique (qui est en fait le pôle sud vu qu’il attire le nord des la boussole !) se déplace. Son mouvement s’est accéléré ces dernières années sans que l’on sache pourquoi. Il a bougé autant ces 20 dernières années que durant le siècle précédent.

Il y a un décalage entre le vrai nord géographique et le nord magnétique qu’une boussole suit. Ainsi il faut corriger ce décalage. Ces dernières années c’est devenu compliqué. On peut voir l’historique du déplacement du pôle nord grâce à cette application…

Il y a une modélisation des données pour ces prochaines années…

Les pôles magnétiques de la Terre se sont déjà inversé plus de 300 fois durant ces 200 derniers millions d’années. La dernière inversion date d’il y a 780 000 ans. On ne sait pas quand sera la prochaine inversion.

Champ magnétique: 2 définitions mathématiques ! (pour les geek)

Deux champs vectoriels apparentés¹ servent en physique à décrire les phénomènes magnétiques et peuvent de ce fait prétendre au nom générique de « champ magnétique » :

l’un, noté B → ${\vec {B}}$ , décrit la « densité de flux magnétique » dans l’espace, qui est à l’origine des effets à distance du magnétisme, et notamment de l’« induction électromagnétique »¹. Il s’exprime en teslas ;
l’autre, noté H → ${\vec H}$ , qui est en pratique plutôt utilisé dans l’étude de l’électromagnétisme des milieux continus, décrit au niveau local l’« aimantation » propre de la matière, ou son « excitation magnétique »¹ sous l’effet d’un champ électromagnétique externe (dont l’effet global confère en particulier à un corps donné un moment magnétique d’ensemble). Il s’exprime en ampères par mètre (de symbole A/m ou A m⁻¹)^b.

Lorsqu’il est nécessaire de faire la différence entre les deux, le champ B → ${\vec {B}}$ peut être qualifié de « champ d’induction magnétique » et le champ H → ${\vec H}$ de « champ d’aimantation » ou de « champ d’excitation magnétique ».

Encore une autre remarque sur la terminologie.

Selon les auteurs et les sources, le champ magnétique est désigné par H → ${\vec {H}}$ ou B → ${\vec {B}}$ . Historiquement, H → ${\vec {H}}$ fut désigné comme « champ magnétique », et B → ${\vec {B}}$ comme « induction magnétique », cependant aujourd’hui B → ${\vec {B}}$ désigne le champ magnétique dans le vide. Il faut faire la distinction entre les conditions du vide ou d’un milieu microscopique (équivalent au vide localement), et les conditions d’un milieu matériel mésoscopique ou macroscopique. Dans le vide, B → ${\vec {B}}$ et H → ${\vec {H}}$ désignent la même chose (à une constante près μ 0 $\mu _{{0}}$ ) et la notion d’« induction magnétique » n’a pas vraiment de sens, B → ${\vec {B}}$ et H → ${\vec {H}}$ désignent donc la même chose, le « champ magnétique ». Dans un milieu matériel, c’est H → ${\vec {H}}$ qui est mesuré et qui a les propriétés mathématiques d’un champ vectoriel (comme le champ électrique), la terminaison « champ magnétique » est donc préférablement attribuée à H → ${\vec {H}}$ pour les milieux matériels.

Flux: ensemble des lignes de champ

Le flux d’induction magnétique Φ (phi) c’est l’ensemble des lignes de champ. Il se mesure en weber [Wb]

Champ magnétique: B

Le « champ magnétique B » ou aussi appelé l’induction magnétique B, c’est le flux Φ par unité de surface perpendiculaire. Il s’exprime en Tesla.

\[ B = {Φ\over {Aire}} \]

\[ T={{Wb}\over {m^{2}}} = {{V⋅s}\over {m^{2}}} = { {W⋅s}\over{A⋅m^{2}}} ={{J}\over {A⋅ m^{2}}}={{N}\over{A⋅m}} \]

Cette induction magnétique B est la densité du flux magnétique, notamment responsable de l’induction électromagnétique.

L’induction électromagnétique, c’est la capacité à induire une force électromotrice dans un conducteur électrique si il est soumis à un flux de champ magnétique variable. Cette force électromotrice va donc engendrer un courant électrique.

Le Tesla est une unité de mesure relativement petite.
Voici quelques valeurs courantes de champ magnétique:

Champ magnétique terrestre à Neuchâtel: ~ 46,7 µT
Aimant artificiel: 0,5 à 1,5 T
Pôle de machine électrique: 1 à 2 T
Aimant de scanner IRM: 0,1T à 7T ou record à 11,7 T
Plus gros aimant du monde (projet ITER fusion nucléaire): 13T

Notion de champ et de vecteur

En physique, un champ, c’est l’indication de la valeur d’une grandeur physique pour chaque point de l’espace temps. C’est un peu la valeur des pixels de notre univers.

Ainsi on peut faire un champ de température. Chaque point indique sa température.

Un champ magnétique est un champ vectoriel. Il ne contient pas qu’une seule valeur (comme le champ de température), mais aussi une direction, une flèche. On appelle ceci un vecteur.

\[ \vec{B} = {Φ\over {Aire}} \]

Un aimant est capable de modifier, de structurer un champ magnétique. Comme si je creuse un canal sur une montagne, l’eau va avoir tendance à couler vers mon canal. Dans mon canal j’aurai une grande concentration d’eau.

Mon champ d’induction magnétique ${\vec {B}}$ est une sorte de canal magnétique dans lequel je mesure la densité des lignes de force par unité de surface perpendiculaire.

Electromagnétisme

En avril 1820 le physicien danois Hans Christian Ørsted découvre que lorsqu’un courant électrique passe dans un fil conducteur, une boussole placée proche est influencée. C’est l‘expérience d’Ørsted.

C’est le début de l’électro-magnétisme. Ørsted découvre qu’il y a un champ magnétique qui se crée autour d’un conducteur électrique. Le sens du champ magnétique circulaire peut se trouver grâce à la loi du tire-bouchon.

La croix est le symbole du courant qui s’enfonce vu de derrière et le point le symbole du courant vu de face.

Comme moyen mnémotechnique il faut penser à une visse cruciforme. Vu de face on voit la pointe de la visse. Vu de derrière on voit la croix. La visse tourne dans le même sens que les lignes de champs.

Le magnétisme est lié au mouvement de charges électriques.

Donc on a toujours un lien dans un sens ou un autre entre trois grandeurs:

mouvement
électricité
magnétisme

En combinant 2 aspects on peut obtenir le troisième:

Mouvement + champ magnétique = courant électrique → Effet générateur
Mouvement (fréquence) + courant électrique = champ magnétique → transformateur
Champ magnétique + courant électrique = mouvement → effet moteur

Spire et bobine

Maintenant que l’on sait qu’un courant électrique de passage dans un conducteur produit un champ magnétique circulaire autour de lui, on peut optimiser le champ magnétique.

On peut concentrer les lignes de champs au même endroit en créant une boucle avec le conducteur électrique. On appelle une telle boucle une « spire ».

Une spire c’est bien, beaucoup de spire c’est encore mieux.

Donc je peux encore concentrer des lignes de champ, donc augmenter la densité de mon champ magnétique. → donc l’induction magnétique B si j’ajoute des spires. Je crée ce qu’on appelle: une bobine.

Je peux encore augmenter mon champ magnétique en insérant un matériaux magnétique au centre de ma bobine. On parle de noyau.

En pratique on peut ajouter du fer blanc. Ainsi j’aurai un électroaimant.

On voit que le champ magnétique est plus intense quand les lignes de champ traversent un matériaux magnétique.

Les lignes de champ forment toujours des courbes fermées. Elles sortent du pôle Nord pour s’enfoncer dans le pôle Sud .

Les lignes de champ forment un circuit magnétique.

On voit sur l’image ci-dessus de notre bobine, que le circuit magnétique traverse du fer, mais surtout de l’air.
Or, si l’on se souvient des propriétés magnétiques des matériaux. L’air n’a quasiment pas de propriété magnétique.

Ainsi pour augmenter encore le champ magnétique on ferme le circuit magnétique avec un matériaux magnétique, par exemple du fer.

La bobine a un noyau de fer, mais aussi un circuit magnétique fermé, en haut et en bas.

Le circuit magnétique peut être composé de différents matériaux. Si le circuit comporte une coupure on appelle ceci un « entrefer« . C’est logique c’est par exemple un peu d’air entre deux bout de fer.

Electroaimant

Grâce à l’électromagnétisme, on constate qu’il n’est pas nécessaire d’avoir des aimants permanents pour créer des machines magnétiques. (un moteur par exemple)

On peut remplacer les aimants permanents par des électroaimants.

C’est la grande différence entre une voiture électrique Tesla qui utilise des aimants permanent et une voiture électrique Renault Zoé qui utilise des électro-aimants. En terme de ressources et de géopolitique, le cobalt nécessaire pour la création des aimants permanents limite le nombre de voiture qu’il est ainsi possible de créer. Le cuivre est moins problématique.

Comment augmenter l’efficacité d’un électroaimant ?

L’électricité c’est un flux d’électron libre dans un corps conducteur. Cette mise en mouvement des charges électriques des électrons va créer un champ magnétique qui tourne autour dans le sens horaire. On utilise la règle du tire bouchon pour se souvenir du sens.

Si je veux augmenter le champ magnétique ${\vec {B}}$ je peux:

Augmenter le courant électrique I dans mon conducteur
concentrer les lignes des champs en bobinant mon conducteur
utiliser un noyau en matériaux magnétique (fer)
fermer le circuit magnétique
Réduire la longueur de mon bobinage (plus c’est long, plus je dilue l’intensité)

On peut formaliser mathématiquement ces principes pour améliorer un électroaimant.

On a inventé une grandeur qui s’appelle la force magnétomotrice ou encore l’excitation Θ, qui est le produit du courant par le nombre de tour. (nb de spires)

Cette grandeur est donc un courant électrique qui s’exprime en Ampère [A].

\[ Θ = N \cdot I \]

Θ → Excitation ou force magnétomotrice [A]
N → Nombre de spire dans ma bobine
I → Intensité du courant électrique en [A]

Le champ magnétique produit par mon électroaimant peut donc se définir par la formule:

\[ \vec{B} = {{N \cdot I}\over {l}} \cdot µ_0 \]

B → Le « champ magnétique », l’induction magnétique en [T]
N → Nombre de spire dans ma bobine
I → Intensité du courant électrique en [A]
l → longueur en [m]
µ0 → perméabilité du vide (ou air)

Saturation magnétique et hystérésis

L’intensité du champ magnétique H [A/m] que l’on fourni se concentre si le champ magnétique passe dans une matière magnétique. On mesure cette induction magnétique B en [T]. Cette densité du champ magnétique a des limites. Au lieu de suivre une relation linéaire – plus j’augmente le champ magnétique H, plus le champ B est dense dans le noyau – j’ai une limite, la courbe s’aplati. On est à saturation.

Il est possible de créer des électroaimants avec un courant alternatif. Donc si j’inverse le sens du courant, j’observe que ma courbe d’aimantation jusqu’à la saturation n’est pas le même dans un sens ou dans l’autre.

En bref, le seuil d’aimantation de mon électroaimant n’est pas le même en aimantation ou en désaimantation.

C’est ce que l’on appelle le cycle d’hystérésis.

On constate que si je mets du courant électrique dans une bobine le noyaux peut devenir un aimant permanent alors qu’il ne l’était pas à la base → j’ai magnétisé un noyau. Même quand je coupe le courant électrique.

Cette aimantation résiduelle s’appelle la rémanence magnétique.

Avantages et inconvénient de la rémanence magnétique

Suivant les applications de mon électroaimant. Le fait que même si je coupe le courant mon électroaimant reste aimanté est un avantage ou un inconvénient.

Si je veux un relais, qui coupe quand j’enlève le courant. Je préfère que mon noyau ne reste pas aimanté. Je vais choisir un matériaux avec un cycle d’hystérésis étroit, comme le fer doux.

Si je veux un électroaimant qui remplace un aimant permanent dans un moteur ou un générateur, je vais privilégier un cycle d’hystérésis large. Comme l’AlNiCo.

A note que ce cycle d’hystérésis consomme de l’énergie. Il y a un dégagement de chaleur qui se produit à cause du cycle d’hystérésis.

Explication en vidéo à propos de l’électromagnétisme

Suite de l’explication:

A quoi ça sert un électroaimant ?

Avec un électroaimant on peut fabriquer une sonnette.

L’utilisation actuelle la plus courante, c’est le relais ou le contacteur (un relais de puissance).

Le relais permet d’actionner un circuit avec une grand courant depuis un circuit avec un petit courant. Par exemple pour alimenter une pompe à partir d’un circuit de détection d’un niveau d’eau.

Diode de roue libre

Un relai est souvent équipé d’une diode de roue libre qui est permet de court-circuiter la sur-tension crée par la bobine quand on coupe le circuit électrique.

On reviendra plus tard. Sur cette capacité d’une bobine à créer une tension qui va faire circuler un courant, alors même qu’on coupe le courant en ouvrant un interrupteur. (Techniquement il s’agit de la loi de lenz)

Ce phénomène est capable de créer une tension importante qui peut détruire des équipements. Ainsi on protège ces composants à l’aide d’une diode de roue libre.

Effet moteur

Si l’on pose en parallèle deux fils conducteurs parcourus par des courants électriques, on observe qu’il y a une force, en Newton qui agit entre ces conducteurs.

Si le sens du courant est identique, la force va attirer les conducteurs.
Si le sens du courant est opposé, la force va repousser les conducteurs.

C’est sur la base de cette expérience que l’on défini l’Ampère, l’unité de mesure de l’intensité du courant électrique.

« Un ampère est l’intensité d’un courant constant qui, s’il est maintenu dans deux conducteurs linéaires et parallèles, de longueurs infinies, de sections négligeables et distants d’un mètre dans le vide, produit entre ces deux conducteurs une force linéaire égale à 2 × 10⁻⁷ newton par mètre. »

Utiliser cette force motrice

Si l’électromagnétisme peut générer une force, on doit pouvoir l’utiliser pour créer un mouvement.

Un moteur est une machine qui génère un mouvement (généralement rotatif) sur la base d’un courant électrique et d’un champ magnétique.

Champ magnétique + courant électrique = mouvement → effet moteur

La force F en Newton que subit un conducteur traversé par un courant perpendiculaire aux lignes d’un champ magnétique vaut:

\[ F = B \cdot I \cdot l \]

F → force [N]
B → Le « champ magnétique », l’induction magnétique en [T]
I → Intensité du courant électrique en [A]
l → longueur en [m]

On peut transformer cette force en mouvement circulaire

Moteur électrique

Le moteur à courant continu est composé d’un stator (la partie statique à l’extérieur). C’est un aimant permanent qui crée un champ magnétique.

A l’intérieur du moteur nous avons un rotor (en rotation). Le rotor est un électroaiment. On le voit avec les bobines.

Le rotor va cherches à s’équilibrer dans le stator. Les parties qui s’attirent s’approchent et les parties qui se repoussent s’éloignent. Le moteur bouge... un petit peu.

Puis on atteint une position d’équilibre. L’astuce c’est de changer la polarité du courant et donc de l’électro aimant pour relancer une nouvelle phase d’équilibre dans l’autre sens.

Pour changer la polarité du courant, on utilise une bague autour de l’axe du rotor. On va faire un contact électrique à l’aide de charbons qui frottent sur le rotor. (avec un fil on serait ennuyé, il serait vite emmêlé !)

La bague centrale est coupée en deux parties. On ajuste le moment où on change le sens pour donner un mouvement de rotation. Et hop c’est parti… ça tourne.

On peut améliorer le démarrage en ajoutant un plus grand nombre de bobines.

Les aimants permanent peuvent être remplacés des électroaimants. Dans le cas d’un moteur ça va bien. Dans le cas d’un générateur d’électricité, il ne faut utiliser un petit peu d’électricité pour en produire. Donc les électriciens doivent bien gérer leur installation pour toujours garder une réserve afin d’alimenter leur générateur. Si ils coupent tout, il ne redémarrent plus !

Un des nombreux brevets de Nikolas Tesla, le moteur électromagnétique

Avec toutes les variantes on a plusieurs sortes de machines électromagnétiques.

La machine à courant continu vue ci-dessus. Sur le même principe nous avons le moteur universel qui est capable de fonctionner autant en courant continu qu’en courant alternatif. La plupart des appareils portatifs (perceuse, aspirateur, etc) utilisent ce genre de moteur. Il est bon marché. (si on voit des étincelles sur les charbons du moteur c’est probablement un moteur de ce type).

Si l’on veut un meilleure rendement, notamment pour une plus grande puissance. On va privilégier la machine synchrone et la machine asynchrone, qui elles fonctionnent au courant alternatif et se synchronisent sur la fréquence du réseau électrique.

On résume en vidéo…

L’effet générateur

Grâce au mouvement et au magnétisme on peut créer des flux d’électron dans un corps conducteur. Donc un courant électrique.

Mouvement + champ magnétique = courant électrique

La force électromotrice induite dans le fil électrique par son déplacement dans le champ magnétique (de façon perpendiculaire) vaut:

\[ E = B \cdot I \cdot v \]

E → force électromotrice induite [V]
B → Le « champ magnétique », l’induction magnétique en [T]
l → longueur en [m]
v → la vitesse de déplacement en [m/s]

Le générateur électrique le plus courant utilise se principe, il s’agit de l’alternateur, aussi appelée machine synchrone.

Loi de lenz

La loi de Lenz nous dit que l’effet produit s’oppose à la cause qui l’a créé.

Ainsi si le champ magnétique augmente (par l’approche d’un aimant par exemple) il va y avoir dans la bobine un champ magnétique opposé qui est créé pour contrer cette variation.

Donc c’est ici que l’on fait le lien avec ce que l’on a vu plus haut avec les relais et la diode de roue libre. Si l’on ouvre le circuit électrique d’une bobine (self induction) le courant va être coupé, donc la bobine va générer une tension qui va continuer le courant qui est en diminution.

Donc il peut se produire des étincelles dans les interrupteurs car la tension généré est telle qu’elle peut faire claquer l’air qui devient conducteur !

Transformateur

Le transformateur est une machine qui ne bouge pas physiquement, donc statique.

Le transformateur est basé sur le principe de l’induction. Grâce à un courant électrique variable, on va induire un champ magnétique.

On va conduire ce champ magnétique dans un circuit magnétique jusqu’à un autre bobine.

Le champ magnétique induit étant lui aussi variable, il va pouvoir créer générer un courant électrique dans la seconde bobine.

Nous avons donc un courant électrique qui peut entrer et sortir d’un circuit magnétique. Mais à quoi ça sert de se compliquer à faire un truc pareil ?

J’ai donc une bobine d’entrée, le circuit primaire. Et j’ai une bobine de sortie, le circuit secondaire.

La tension de sortie va être proportionnelle au rapport du nombre de spire entre la bobine primaire et la bobine secondaire.

Je peux ainsi créer un transformateur de tension.

Si j’ai 10 spires sur ma bobine primaire et 100 spires sur ma bobine secondaire, j’aurai une tension 10 fois plus grande à la sortie que celle à l’entrée.

Le transformateur c’est l’élément clé qui fait qu’on utilise de nos jours du courant alternatif dans nos prises électriques. Pour connaitre toutes l’histoire, voir le chapitre suivant avec la guerre des courants, entre Tesla et Edison.

Courants de Foucault

Les courants de Foucault sont des courants électriques induits dans une masse de métal conducteur par un champ magnétique. Conformément à la loi de Lenz, ces courants s’opposent à la cause qui les a créé.

Les courants de Foucault font chauffer la matière et ainsi diminuer le rendement des circuits magnétiques. Ainsi on ne fait jamais de circuit magnétique avec une grosse masse de métal comme noyau. On va feuilleter la masse du noyaux en fines couche séparées par un isolant. (une couche de peinture suffit pour de nombreux transformateur)

Les courants de Foucault sont aussi utilisés comme frein pour gros véhicules.

Construire des machines

Ok, voilà, on a l’électricité statique, puis si elle est en mouvement on obtient un courant électrique, quand il est en mouvement il génère un champ magnétique, qui lui même quand il varie peut induire un champ électrique… et la boucle est bouclée ! (en plus on a une émission d’ondes électromagnétiques)

Il est temps de cogiter à la création de machines qui utilisent ses propriétés.

Il y existe deux formes principales de courant électrique, alternatif et continu.

Dans une prise électrique d’une maison, nous avons du courant alternatif.

Pourquoi est-ce que l’on utilise du courant alternatif et pas du courant continu ?

La guerre des courants, entre Tesla (avec Westinghouse) et Edison va nous donner la réponse.

Courant continu

Le courant continu est très pratique, car c’est celui qui est utilisé dans nos appareils électroniques, nos ordinateurs. Il est simple à comprendre.

Historiquement il est produit avec une pile ou de façon industrielle à l’aide d’une dynamo, comme celle de Zénobe Gramme. (attention la dynamo de vélo, n’est en fait pas une dynamo ! .. mais un alternateur à courant alternatif !)

De nos jours, la principale source de courant continu est celle des panneaux photovoltaiques.

Le principal soucis du courant continu, c’est la perte en ligne. La tension chute avec la distance.

La puissance transmise correspond à la formule: P = U*I

Si la tension chute à cause de la résistance de la ligne, alors la puissance disponibles chute aussi.

Le courant continu nécessite d’avoir la bonne tension, ainsi il y avait potentiellement plusieurs fils avec des tensions différentes pour différents appareils.

Courant alternatif

Voir la page wikipedia à propos du courant alternatif sinusoïdal.

Grâce à l’invention du transformateur, il a été possible de facilement changer la tension et l’adapter à l’appareil sans multiplier les lignes.

Le transformateur est une machine magnétique qui ne nécessite pas de pièce mobile. Cependant il faut un courant alternatif pour que la transformation se fasse.

Ainsi les générateurs électriques alternatifs sont utiles.

Il est ainsi possible de réduire les pertes en lignes.

La puissance dissipée dans la lignes correspond à la formule: P = R* I^2

Ainsi le courant est un facteur important vu qu’il est au carré. Donc si l’on veut diminuer les pertes en lignes, diminuer le courant semble une bonne idée.

Vu que la puissance délivrée vaut P = U*I. Il est possible d’obtenir la même puissance en diminuant le courant, mais en augmentant la tension.

Le transformateur est donc l’outil idéal. On va transporter l’énergie via du courant alternatif sinusoïdal à haute tension.

Fréquence – Période

Un courant alternatif est caractérisé par sa fréquence, mesurée en hertz (Hz). La fréquence correspond au nombre de période du signal en une seconde (une oscillation = une période). Un courant alternatif de 50 Hz effectue cinquante oscillations par seconde, c’est-à-dire qu’il change cent fois de sens par seconde.

\[f = {1 \over T}\]

\[T = {1 \over f}\]

Valeurs efficace, de crête, moyenne, instantanée, crête

La valeur efficace est la valeur équivalente à un courant continu qui produit le même effet (dissipation thermique dans une résistance). (En anglais on parle de valeur RMS)

Quand on parle de 230V dans une prise, c’est une valeur efficace.

La valeur de crête, c’est la valeur maximale de la sinusoïdale. Elle est √2 fois plus grande que la valeur efficace. (parfois on parle de Umax)

Ainsi une tension alternative sinusoïdale de 230V efficace a une tension de crête de 230 *√2 = 325V.

La sinusoïdale ayant une valeur de crête positive et une valeur négative. On peut mesurer une tension de crête à crête qui vaut 2 fois la tension de crête soit ici 650V.

La fréquence:

Alimentation USB

De plus en plus les alimentations d’appareils électroniques et informatique se font via le port USB.

Le port USB-C a été imposé par l’Union Européenne comme alimentation standard pour les smartphones.

Nous avons vu que les raspberry pi 4 sont alimenté via une alimentation USB-C.

Quels sont les caractéristiques de ses alimentations.

USB

Le port USB traditionnel permet à l’origine de fournir une alimentation électrique de 5 V pour un maximum de 500 mA.

\[ P = U \cdot I = 5 \cdot 0,5 = 2,5 \space Watt \]

Puis la norme a évoluée et avec l’USB 3.1 pour parvenir dans certains cas à 7.5 W (5 V, 1.5 A)

USB-C

Le nouveau connecteur type de l’USB est accompagné d’une nouvelle norme USB Power Delivery qui augment les capacités d’alimentation des ports USB.

On trouve plusieurs profils:

profil 1 : 5 V et 2 A, soit 10 W
profil 2 : 5 V et 2 A, et 12 V et 1,5 A, soit 18 W
profil 3 : 5 V et 2 A, et 12 V et 3 A, soit 36 W
profil 4 : 5 V et 2 A, 12 V et 3 A, et 20 V et 3 A, soit 60 W
profil 5 : 5 V et 2 A, 12 V et 3 A, et 20 V et 5 A, soit 100 W

Depuis mai 2021, il y a la norme USB Power Delivery 3.1 qui augmente encore la puissance:

28 V et 5 A, soit 140 W
36 V et 5 A, soit 180 W
48 V et 5 A, soit 240 W

Mais il faut la norme de câbles USB EPR (pour « Extended Power Range »), selon laquelle les câbles pouvant supporter 240 W devront être certifiés pour une tension de 50 V pour un courant de 5 A. Les câbles fabriqués sous les anciennes exigences de 100 W maximum sont maintenant des câbles SPR (pour « Standard Power Range »)

Voir le tableau sur wikipedia pour plus de détail…

L’USB-C devient donc vraiment un moyen d’alimentation électrique Universel. Il comporte une grande plage de tensions et puissances possibles pour couvrir tout types d’appareil électronique.

Cependant, il faut bien vérifier que les alimentations choisies soient compatibles avec la bonne norme USB Power Delivery, ainsi que le budget de puissance à disposition soit suffisant pour alimenter le nombre d’appareil voulus simultanément.

Voici par exemple un chargeur USB à brancher sur la prise allume cigare d’une voiture. On voit la mention de la norme: USB-C PD 3.0 et le budget 119W