Quelques notions de base sur l’électricité
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1.1 Les atomes
L’ atome est le constituant élémentaire de la matière, c’est un assemblage de particules
fondamentales.
Il est constitué d’un noyau autour duquel gravitent des électrons, qu’on appellera « nuage électronique ».
1.2 Le noyau
C’est la partie centrale de l’atome (environ 10 000 fois plus petit que l’atome lui-
1.3 Le nuage électronique
Autour du noyau gravitent des électrons. Les électrons sont des charges électriques
négatives très petites et très légères. Ces charges négatives gravitent autour du
noyau à des distances bien déterminées. Sur ces orbites, appelées couches électroniques,
on trouve toujours un nombre bien déterminé d’électrons.
Enfin, dans un atome neutre, le nombre d’électrons est égal au nombre de protons.
Nous venons de voir que les électrons tournent extrêmement vite autour du noyau sur des orbites bien déterminées.
Prenons un exemple : l’atome de carbone, qui possède 6 électrons sur deux orbites.
Les électrons les plus proches du noyau sont fortement attirés par celui-
L’atome qu’ils viennent de quitter n’est plus électriquement neutre : il lui manque
un ou plusieurs électrons.
On dira que cet atome est devenu un ion positif.
Mais un électron libre peut aussi « s’accrocher » à un atome neutre qui deviendra ainsi un ion négatif.
Un atome peut donc perdre ou gagner un ou plusieurs électrons. C’est le phénomène
d’ionisation.
Conséquence : Le courant électrique dans un conducteur est constitué d’électrons
libres qui voyagent d’un atome vers un autre.
Un générateur électrique est un appareil capable de fournir d’une part, une grande quantité d’électrons libres à la borne négative et d’autre part, une grande quantité d’ions positifs à la borne positive.
Pour que le courant électrique puisse circuler dans le conducteur qui relie les deux
bornes d’un générateur, il faut évidemment qu’il y ait un déséquilibre dans le nombre
d’électrons libres. C'est-
L’unité de différence de potentiel (ddp) est le VOLT (V), symbolisé par la lettre U.
Pour mesurer cette ddp, on utilise un voltmètre. Celui-
Intensité du courant électrique
Pour qu’un courant électrique circule dans un circuit, il faut :
-
-
L’intensité du courant électrique représente la quantité d’électrons qui ont traversé le circuit (générateur, conducteur et charge).
L’intensité du courant se mesure en Ampère (A), symbolisé par la lettre I.
Pour mesurer cette intensité, on utilise un ampèremètre qui se monte en série sur le circuit.
Dans l’illustration ci-
Plusieurs notions :
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-
Enfin, la loi de Pouillet nous donne la relation suivante :
La résistance d’un conducteur est directement proportionnelle à sa résistivité ( rau grec) et à sa longueur (L); elle est inversement proportionnelle à la section (S) de ce conducteur.
R = . l / S
Avec R : la résistance électrique du conducteur en ohm (W)
: résistivité de la matière en ohm.mm²/ m
L : longueur du conducteur en m
S : section du conducteur en mm²
Quelques exemple de valeurs en ohm mm²/ m à 20°C :
-
-
-
-
Nous noterons que les corps permettant le passage du courant sont appelés conducteurs. On trouve par exemple les métaux comme le cuivre, l’aluminium, l’argent, …
Les corps ne permettant pas le passage du courant sont appelés isolants. Le caoutchouc, le verre, le mica, la porcelaine, plastiques, … sont des corps isolants.
Conclusion : Un fort courant dans un fil de faible section provoque un échauffement
du fil et sa combustion. Il est impératif d’adapter la section des fils si on ne
veut pas transformer son installation en radiateur ou pire, déclencher un incendie…
7.1 La loi d’ohm
U = R . I
U : tension en VOLTS (V)
R : résistance en ohm (R = U/ I)
I : intensité en ampère ( I = U/ R)
7.2 Calcul de la puissance
P = U . I
P correspondant à la puissance en watt.
7.3 Formules dérivées
P = R . I²
P = U²/ R
Pour rappel, la section d’un câble suivant son diamètre se calcule comme suit :
S = p. D² / 4
Ou suivant son rayon : S = p . R²
Notions de courant et de tension
On a vu que la tension représente la ddp aux bornes d’une charge, tandis que le courant représente l’énergie qu’elle consomme.
Mais il ne faut surtout pas oublier que ces deux notions sont liées. En effet, nous avons vus par la loi d’ohm que I = U / R et que U = R . I
Pour simplifier les choses, nous parlerons de courant plutôt que de tension, sachant que ce mot est le plus couramment utilisé.
Nous distinguerons trois états :
-
-
-
C’est ce type de courant que l’on rencontre aux bornes d’une pile, d’un générateur, d’une batterie,… Il est caractérisé par un mouvement global des électrons allant d’un pôle vers l’autre sans inversion de polarité.
La notation qui indique qu’il s’agit de courant continu est DC (Direct Current).
On verra par exemple sur un transformateur une tension de sortie de 6 Volts DC.
Celui-
C’est aussi le type de courant le plus utilisé en sonorisation, en éclairage, en vidéo, que ce soit pour transporter le signal du micro à la console, ou de l’amplificateur aux enceintes. Il se note AC (Alternative Current)
On associe le courant alternatif aux signaux plus complexes tels que la voix ou la musique (ici on ne parle que de sono), car ces signaux s’analysent de la même façon qu’un signal alternatif.
Un son est en effet composé de différentes fréquences. Toutes ces fréquences se représentent par des sinusoïdes. Mais un son n’est pas composé d’une seule et unique fréquence. C’est un ensemble de fréquences, et donc un ensemble de sinusoïdes qui vont former un signal complexe.
Il faut donc bien faire attention à ne pas faire l’amalgame entre le courant alternatif produit par EDF et le courant alternatif produit par un micro,… Nous ne nous intéresserons qu’au courant servant à l’alimentation des appareils électriques.
10.1 Le courant alternatif, représentation
Le courant alternatif est un courant dont l’intensité varie de façon régulière au cours du temps, tantôt positive, tantôt négative, en passant par zéro.
Le courant (ou tension) alternatif est caractérisé par :
-
-
-
10.1.1 L’amplitude
L’amplitude est la valeur du courant à un instant donné. Elle se mesure en ampères (intensité).
10.1.2 La fréquence
La fréquence se mesure en Hertz. Ce qui correspond au nombre d’oscillations par seconde.
La période est le nombre de cycles en une seconde, ou encore la durée d’un cycle
en secondes.
Une fréquence de 1 Hz correspond à 1 cycle, ou 1 oscillation par seconde.
Nous obtenons la relation suivante : F = 1/ T
Avec : F fréquence en Hertz, et T la période en seconde.
10.1.3 La phase
La phase représente la synchronisation du signal par rapport à un point de référence.
Exemple : Prenons un circuit automobile circulaire avec une voiture qui roule continuellement à vitesse fixe et constante. On veut prendre une photo de la voiture chaque fois qu’elle passe la ligne de départ. Il faut donc se synchroniser sur la vitesse du véhicule pour déclencher la photo. Ce sera la référence (phase =0).
Décidons maintenant de ne plus photographier la ligne de départ, mais une dizaine de mètres avant la ligne de départ. Nous devons décaler notre synchronisation pour être « en phase » avec la voiture. Ce décalage se mesure et s’appellera phase ou déphasage (en degrés).
En courant alternatif, nous parlerons de déphasage du courant par rapport à la tension.
En effet, suivant le type de récepteur (charge), le courant engendré peut être soit
en phase avec la tension, soit déphasé en avance ou en retard par rapport à la tension.
Les différentes impédances : résistance, inductance, condensateur :
On va caractériser la charge d’un circuit par son impédance, qui prend en compte
le déphasage du courant par rapport à la tension :
U() = Z().I()
P() = U() . I()
La résistance est une impédance particulière qui ne déphase pas le courant.
Résistance :
Un filament de lampe, le fil chauffant d’un grille-
Dans ce type d’impédance, le courant engendré est toujours en phase avec la tension.
Inductance :
Une bobine de fil conducteur constitue une inductance, encore appelée self. On la
rencontre dans les moteurs, dans les ballasts des tubes néons,… Cette bobine réagit
constamment aux variations du courant qui la traverse, suite à un phénomène magnétique.
Si cette bobine est soumise à un courant continu, elle n’aura aucun effet sur celui-
L’importance de ce frein est mesurée par la valeur de l’inductance L, exprimée en Henry (H).
Ce type d’impédance aura un deuxième effet sur le courant : une bobine retarde le courant par rapport à la tension. On dit qu’elle déphase le courant. Ainsi, une inductance pure verra son courant déphasé de 90 degrés en retard sur la tension.
Condensateur :
Un condensateur, encore appelé capacité est un réservoir de charges électriques. Si on le soumet à la tension d’un générateur, il va accumuler des charges. Ces charges seront restituées au réseau lorsque la tension d’alimentation diminuera. S’il s’agit d’une tension alternative, le condensateur se charge et se décharge au rythme de la fréquence alternative…
La valeur d’un condensateur est exprimée en Farad (F).
Ce type d’impédance aura également un effet de déphasage du courant par rapport à la tension, mais cette fois le courant est déphasé en avance de 90 degrés sur la tension.
On constate que l’effet de la charge est à considérer dans les installations électriques puisqu’une charge inductive ne réagit pas comme une charge capacitive.
EDF s’intéresse de près à la charge appliquée sur son réseau car vu depuis une centrale, une ville est une accumulation de charges inductives, résistives et capacitives. Prévoir un générateur stable lorsqu’on ne maîtrise pas la charge qui lui est connectée est illusoire.
C’est dans ce but qu’a été instauré le cos .
Le cosinus Phi (cos )
Le cos est le déphasage du courant par rapport à la tension sur les appareillages
électriques. On l’appelle « facteur de puissance » car il donne une indication sur
la puissance dite « réactive » qui n’intéresse qu’EDF et les gros consommateurs de
courant. Il est indiqué sur une plaquette d’identification pour les machines concernées
(ne le cherchez pas sur votre ventilateur, ni votre perceuse ! quoique…).
Le domaine qui nous intéresse ici est le courant distribué par EDF ou par tout autre source (Groupe électrogène,…).
Sa fréquence en Europe est de 50 Hz, 60 Hz aux Etats-
Il existe deux types d’alimentation possibles, le courant monophasé et le courant triphasé.
11.1 Le monophasé
Le courant monophasé est véhiculé par une phase et un neutre, soit deux conducteurs, plus la prise de terre. C’est le courant le plus répandu. En effet, tous les appareils ménagers fonctionnent en monophasé.
Egalement, en sonorisation, à part quelques appareils spécifiques, principalement en éclairage, tout fonctionne en monophasé.
11.2 Le triphasé
Ce type de courant est généralement réservé aux installations nécessitant une forte
puissance.
En effet, la formule permettant de calculer la puissance en triphasé est légèrement différente :
P = U . I . √3 . cos
Avec : -
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-
Attention, la réponse obtenue, c'est-
Le courant triphasé correspond à trois forces électromotrices de même fréquence déphasée de 120 degrés l’une par rapport à l’autre.
La somme algébrique de ces trois forces électromotrices est nulle.
11.2.1 Couplage en étoile
En plus des trois phases, nous avons la présence d’un neutre.
La tension entre les différentes phases est de 380 volts. Pour obtenir une tension de 220 volts, nous devons « coupler » chaque phase avec le neutre (phase 1 et neutre, phase 2 et neutre, phase 3 et neutre).
Sur le schéma, R, S et T correspondent aux phases, N au neutre.
Que ce soit sur une fiche, un tableau électrique,… Il est important de respecter la couleur du conducteur utilisé pour le neutre. Par convention, c’est le conducteur bleu qui est utilisé.
11.2.2 Couplage en triangle
Dans ce cas ci, le neutre est fictif. Il n’y a en effet que trois phases. Entre phase, nous avons une tension de 220 volts.
Pour revenir à du monophasé, il faut répartir les phases comme suit :
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Comme nous l’avons vu au point 6, il est important d’adapter la section des fils par rapport au courant que l’on veut transporter.
En effet, dans une installation électrique, le câble doit répondre à deux exigences principales :
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Pour ce, voici un petit tableau récapitulatif :
Section en mm² Ampérage Remarques
1.5 16 A
2.5 20 A Ou 16 A sur de grandes longueurs
4 25 A
6 32 A
10 40 A
16 63 A
25 100 A
35 125 A
En sonorisation, il est préférable d’utiliser du câble d’une section de 2,5 mm² pour les allonges électriques. Il n’est pas rare en effet de devoir tirer une grande longueur.
Une section de 1,5 mm² entraînerait des pertes non négligeables.
L’électricité en toute sécurité
Il est très important que tous les câbles, fiches, appareils,… soient bien isolés afin d’éviter toute perte de courant.
Si vous entrez en contact par hasard avec un appareil ou un câble mal isolé, la perte de courant se propagera par votre corps. En basse tension, ça peut ne pas être grave. Par contre, en haute tension, les conséquences peuvent être mortelles.
On a évalué expérimentalement la résistance du corps humain à 1000 ohms dans les conditions suivantes : peau humide, sans chaussure et dans un local mouillé. Dans ces conditions, il pourrait y avoir danger pour 0.025 x 1000 = 25 volts, ce qui a permis de fixer la tension limite à 24 volts.
On a en effet découvert que 50 mA en courant continu et que 25 mA en courant alternatif sont des valeurs qui peuvent être mortelles.
Effets physiologiques du courant alternatif à 50 Hz :
Le courant électrique a une action sur les principales fonctions vitales : respiration et circulation sanguine. Il peut également provoquer des brûlures en traversant l’organisme.
Effets de l’intensité sur une personne adulte, pendant un temps indéterminé :
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13.1 Mise à la terre
La mise à la terre a principalement pour but de protéger les personnes contre les
électrocutions par contact indirect, c'est-
Réalisation d’une prise de terre :
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Remarque : Il est interdit d’utiliser comme canalisation de terre ou comme conducteurs de protection les canalisations d’eau, de gaz, de chauffage central, et les gaines métalliques des câbles.
Une « bonne terre » n’est ni sèche, ni humide. Certains pourraient penser à tord que l’eau étant conductrice, si la terre est humide, on aura une meilleure masse. C’est l’inverse qui se produit : la terre humide traversée par un courant va produire une électrolyse, et donc créer une ddp à l’endroit où l’on a planté le piquet.
Bilan : une terre qui vaut quelques volts (ou dizaines de volts), et pas 0V !!!
13.2 Protections possibles
Lors de pertes de courant, de courts-
Le différentiel va en effet couper le courant en cas de déséquilibre entre phase
et neutre pour du monophasé, et entre les phases et le neutre pour du triphasé (la
fuite à la terre est une protection suffisante en elle-
Les disjoncteurs vont eux réagir aux courts-
13.2.1 Les disjoncteurs
Le but ici n’est pas d’expliquer entièrement le fonctionnement des disjoncteurs,
mais simplement de donner une indication quant à leurs caractéristiques.
Un disjoncteur se compose de deux éléments principaux :
Un système de détection, qui commande le déclenchement des pôles de coupure, ce système est constitué par :
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Un système de coupure.
En plus de ces deux éléments principaux, on détermine plusieurs valeurs décrivant les caractéristiques de coupure du disjoncteur :
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Courbe B : Commande de protection contre les surcharges et les courts-
Courbe C : Commande et protection contre les surcharges et les courts-
Courbe D : Commande et protection contre les surcharges et les courts-
Courbe Z
Courbe K
Courbe MA
Les disjoncteurs les plus rencontrés dans des applications courantes sont de courbe C.
13.2.2 Les différentiels
Là non plus, nous ne rentrerons pas dans les détails.
Ces deux principales caractéristiques sont celles-
-
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Juste un petit truc : Si vous hésitez quant à l’arrivée de courant sur votre tableau
électrique, vous pouvez utiliser le bouton test présent sur le différentiel. Lorsqu’il
n’y a pas de courant à l’arrivée, le bouton test est mou. Il ne sert à rien. Par
contre, lorsqu’il y a du courant, ce bouton est plus dur pour autant que la position
de l’interrupteur soit sur ON. Lorsque vous appuyez dessus, le différentiel se coupe.
C’est aussi une manière de tester le bon fonctionnement de celui-
Cette première partie a eu pour but d’expliquer le pourquoi et le comment de l’électricité. Il s’agit de notions théoriques que nous appliquerons en pratique dans une seconde partie. Nous verrons les types de fiches régulièrement utilisées en sonorisation, quelques idées et conseils sur les tableaux électriques, l’utilisation d’un multimètre,…
Bibliographie, sources :
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Didier Pietquin Juin 2004 ©
Constitution de la matière Phénomène d' ionisation Production de courant Différence de potentiel Intensité du courant
Loi de Pouillet Puissance électrique Notions de courant et de tension Courant continu Courant alternatif
Alimentation et énergie Transport du courant L' électricité en toute sécurité Conclusion