L'électricité: quelques notions de base
Les travaux d'électricité exigent certaines connaissances préalables. Nous allons vous donner un peu de théorie. Qu'est-ce que le courant, la tension et la résistance? Quelle est la différence entre un montage en série et un montage en parallèle? Qu'est-ce que l'énergie et l'effet joule?
Tension, résistance et puissance
Le mécanisme de la tension, du courant et de la résistance électriques peut être illustré par le fonctionnement d'une conduite d'eau. La tension U d'une source électrique (avec un pôle positif et un pôle négatif) peut être comparée à la pression exercée sur l'eau par une pompe.
La résistance électrique R indique la résistance d'un matériau au passage d'un courant électrique. La résistance peut être comparée au fonctionnement d'un robinet. Lorsque le robinet est complètement ouvert, il n'y a pratiquement aucune résistance et l'eau s'écoule en douceur. Lorsque le robinet est à moitié fermé, il y a moins d'eau qui peut s'écouler et la résistance augmente.
Courant électrique
En principe, le courant électrique circule du pôle positif au pôle négatif. Les matériaux qui conduisent bien l'électricité ont une faible résistance (cuivre, fer, aluminium). Les matériaux qui ne conduisent pas l'électricité ont une résistance très élevée (plastique, caoutchouc).
L'intensité de courant I est déterminé par la tension U et la résistance, R. Ces termes ont la relation suivante:
Courant I = Tension U / Résistance R
L'intensité de courant est exprimée en ampères (A), la tension en volts (V) et la résistance en ohms (Ω).
Puissance électrique
Une lampe convertit l'énergie électrique en énergie lumineuse et en énergie thermique. Un chauffage électrique convertit l'énergie électrique en énergie thermique.
La puissance P est la quantité d'énergie convertie dans l'appareil et est exprimée en watts. Par exemple, une ampoule de 30 watts a une puissance plus élevée qu'une ampoule de 10 watts, qui produira donc moins de lumière que l'ampoule de 30 watts.
La puissance P est calculée en multipliant l'intensité de courant (I) par la tension (U).
CA et CC
L'électricité entre dans notre salon sous forme de courant alternatif (CA) de 220 volts. Le courant alternatif élevé est moins cher et plus facile à produire que le courant continu (CC) et peut être transformé avec peu de perte en une valeur inférieure ou supérieure par un transformateur.
Le courant alternatif est également plus facile à transporter sur de longues distances sans grande perte. Divers appareils électriques, tels qu'un ordinateur, fonctionnent en courant continu. Un transformateur interne convertit alors le courant alternatif en courant continu.
Dans la figure de gauche, une lampe est connectée comme consommateur dans un circuit avec une pile. La pile fournit la tension (U) et provoque un courant électrique (I) dans un circuit électrique fermé. Cette disposition est techniquement représentée dans le schéma de droite. Le flux d'électrons va du pôle négatif au pôle positif. Cependant, le sens du courant électrique (I) est opposé. Le courant circule du pôle positif vers le pôle négatif à travers le consommateur.
Travail et énergie
Avec une force F (Newton), vous pouvez tirer une luge sur une distance S de, par exemple, 20 m. Cet effort est appelé travail et s'exprime en newton-mètres ou en joules, l'unité d'énergie. L'énergie est le potentiel pour effectuer un travail. Par exemple, une pierre posée sur votre main contient une énergie potentielle. Lorsque vous la laissez tomber, elle est convertie en énergie cinétique (mouvement) et lorsqu'elle tombe sur le sol, elle est convertie en travail (déformation du sol).
L'énergie ne peut pas être épuisée. Elle est toujours convertie en d'autres formes. Dans une centrale électrique, l'énergie chimique est transformée en énergie thermique, puis en énergie mécanique et enfin en énergie électrique.
Énergie électrique
Lorsqu'on connecte une ampoule à une source de tension, le courant circule dans l'ampoule, mais l'énergie électrique aussi. Dans l'ampoule, l'énergie électrique est ensuite convertie en lumière et en chaleur. L'énergie qui est transformée par seconde dans l'ampoule est appelée la puissance électrique P. La puissance est généralement indiquée sur le consommateur (par exemple, une ampoule de 100 watts).
Travail électrique
Le travail électrique est la puissance dans une unité de temps donnée. Le travail W est donc égal à la tension U x le courant I x le temps (en secondes) et s'exprime en watt secondes ou en joules.
Pour des raisons pratiques, cette valeur est souvent exprimée en kWh. Si l'on compte en secondes, le nombre devient très important. Par conséquent, pour des raisons de commodité, nous calculons par heure (= 3.600 secondes).
Rendement
L'énergie que nous mettons dans quelque chose n'est pas intégralement convertie en l'énergie visée. Il arrive souvent que l'énergie se perde dans d'autres formes d'énergie. Par exemple, une ampoule électrique produit jusqu'à 95% d'énergie thermique et seulement 5% d'énergie lumineuse. On parle alors d'un faible rendement.
Consommateur d'énergie
Dans une résistance (tout consommateur, par exemple une lampe, un téléviseur, une perceuse, etc.), l'énergie électrique est convertie en énergie thermique. C'est ainsi que l'on peut chauffer par l'électricité. Plus les électrons se déplacent et se heurtent vigoureusement dans un corps, plus la température de ce corps augmente.
Une résistance qui n'est pas traversée par un courant prend la température de son environnement. Si nous envoyons un courant électrique à travers la résistance, les électrons à l'intérieur entreront en collision plus intensément et la température de la résistance augmentera. De cette façon, la résistance peut transférer de la chaleur à l'environnement.
L'effet joule
L'énergie électrique qui passe par une résistance est partiellement convertie en chaleur. On appelle cela l'effet joule. On l'utilise pour le chauffage électrique, une bouilloire, etc. Les thermostats permettent de contrôler la température. A partir d'une certaine température, ils interrompent le circuit. Pour de nombreux appareils, la conversion en chaleur n'est pas utile. Afin d'éviter toute perte d'énergie, la résistance est alors maintenue aussi faible que possible (par exemple, un téléviseur). Une autre illustration est l'enrouleur de câble électrique. Il est préférable de dérouler complètement le câble avant l'utilisation afin que la chaleur générée par la résistance puisse s'échapper et qu'aucune surchauffe ne se produise.
Montage en série et parallêle
Montage en série
I = I1 = I2 = I3
U = U1 + U2 + U3
R = R1 + R2 + R3
Avec un montage en série, l'extrémité d'une résistance est connectée au début de la suivante. En chaque point du circuit, le courant sera le même. Vous pouvez donc mesurer le courant en tout point du circuit. La tension connectée est la somme de toutes les tensions partielles aux bornes des différentes résistances. La résistance totale est égale à la somme de toutes les résistances partielles connectées en série.
Les lumières des sapins de Noël sont un bon exemple de résistances connectées en série. Un grand nombre d'ampoules divise la tension totale du réseau 230V. Une autre application est une résistance en série. Il s'agit d'une résistance qui est utilisée pour réduire la tension d'un certain dispositif. Il existe également une résistance réglable (=potentiomètre), qui trouve son application, par exemple, dans les gradateurs et les régulateurs de volume, et qui permet d'amplifier ou d'affaiblir la tension qui alimente un certain appareil.
Montage en parallêle
I = I1 + I2 + I3
U = U1 = U2 = U3
1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3
Avec un montage en parallèle, toutes les connexions de départ des consommateurs (résistances) sont connectées les unes aux autres et toutes les connexions d'arrivée sont également connectées les unes aux autres. Ici, le courant total est égal à la somme de tous les courants individuels. La tension est la même partout dans le circuit. Vous pouvez utiliser la loi d'Ohm pour calculer les courants partiels (I1=U/R1, I2=U/R2 ...). Le consommateur ayant la résistance la plus faible a le courant le plus élevé. On calcule la résistance du circuit comme suit: 1/Rv(résistance totale de remplacement)= 1/R1 + 1/R2 + ... + 1/Rn.
Le meilleur exemple de circuit parallèle se trouve à la maison, où différents consommateurs, tels que la machine à café, l'aspirateur ou la télévision, sont connectés en parallèle à la tension du réseau. Chaque prise fournit une tension égale de 230 volts.
