Le courant électrique un peu d'histoire

    Un courant électrique dont on mesure l'intensité en ampères, se compose en fait d'un flux d'électrons. . Certains matériaux conduisent mieux le courant que d’autres. Ainsi, il faut une tension électrique considérable pour que les électrons transportent une charge électrique dans un matériau comme le plastique ou le verre. En revanche, il suffit d’une différence de potentiel réduite pour que les métaux conduisent le courant électrique. La plupart des métaux sont donc de bons conducteurs. Avant que les scientifiques ne découvrent, au XXe siècle, le  rôle primordial joué par les électrons dans la transmission de l’électricité, ils avaient postulé que le courant électrique circulait de la charge positive vers la charge négative. En fait, les électrons chargés négativement circulent en sens inverse, mais on a conservé la convention sur la direction du courant électrique. Un atome ou une molécule ayant cédé un ou plusieurs électrons conserve une charge positive et devient un ion. Les ions conduisent eux aussi le courant électrique. Les différents métaux ne conduisent pas tous le courant avec la même facilité, cette capacité étant liée à la disponibilité de leurs électrons. Les meilleurs conducteurs sont notamment l’aluminium, le cuivre, l’or et l’argent. En raison de leur prix moins élevé, l’aluminium et le cuivre sont couramment employés dans la fabrication des fils et des câbles électriques.

    La propriété d’un corps qui s’oppose au courant électrique s’appelle la résistance électrique. Pour mesurer cette résistance, on observe le courant qui circule pendant l’application d’une certaine tension électrique. Le physicien allemand Georg Ohm (1787-1854) avait établi la relation entre la tension, l’intensité du courant et la résistance électriques. La loi d’Ohm stipule que, pour un matériau donné, la résistance est égale à la tension (différence de potentiel) divisée par l’intensité du courant. L’unité de résistance est l’ohm, qui est égal à un volt divisé par un ampère.

    En raison de sa capacité à déplacer des charges, l’électricité est une forme d’énergie. Elle peut être convertie en d’autres formes d’énergie. Par exemple, lorsqu’un courant électrique circule dans un fil, ce dernier s’échauffe. Plus sa résistance est élevée, plus il chauffe, au point de devenir incandescent et de fournir de la lumière.

    Par ailleurs, un courant qui traverse un fil électrique produit un champ magnétique. Les lignes du champ sont des cercles concentriques autour du fil. Si le fil forme une bobine, on obtient des lignes de champ semblables à celles produites par un aimant droit. La puissance de l’aimant ainsi obtenu, un électro-aimant, peut être augmentée par l’enroulement du fil autour d’un matériau comme du fer. Contrairement aux aimants permanents, les électro-aimants peuvent être activés et désactivés.

    Ils ont de nombreuses applications, commutateurs électriques, aimants utilisés dans la récupération d’objets métalliques, haut-parleurs capables de convertir de l’électricité en sons. Mais les principales applications de l’électromagnétisme sont certainement le moteur électrique, la dynamo et les autres machines produisant de l’électricité.

    Tout dispositif capable de faire circuler des électrons dans un fil électrique s’appelle un générateur électrique. Il existe différents types de générateurs. Certains reposent sur des principes chimiques, mais la plupart sont mécaniques et dépendent de l’interaction ente électricité et magnétisme. Lorsque l’on place un fil dans un champ magnétique, il est parcouru par un courant électrique. Si on le transforme en bobine ayant un nombre plus ou moins grand de spires que l’on fait tourner dans un champ créé par les deux pôles d’un aimant, un simple commutateur permet de lui faire produire un courant électrique continu. Le dispositif permettant la conversion de l’énergie mécanique en courant électrique, la dynamo, a été conçu par le physicien anglais Michael Faraday (1791-1867).

    Trente ans avant cette découverte, un savant italien, Alessandro Volta, découvrait une nouvelle façon de produire du courant électrique, fondée sur la transformation de l’énergie chimique en électricité c’est ce que l’on appelle la pile. Dans une simple pile Daniell, par exemple, une lame en cuivre (ou électrode) est plongée dans une solution de sulfate de cuivre, séparée par une paroi poreuse d’une solution d’acide sulfurique dans laquelle trempe une lame de zinc. A mesure que le zinc se dissout dans l’acide pour former des ions zinc, il cède ses électrons, qui se déplacent, sous forme de courant électrique, le long d’un fil qui relie les deux électrodes. Les électrons arrivant sur l’électrode de cuivre s'associent aux ions positifs de cuivre de la solution pour former un dépôt métallique sur l’électrode. Le métal producteur d’électrons, le zinc, possède une charge négative c’est la cathode. L’autre électrode s’appelle l’anode. Les électrons circulent de la cathode vers l’anode dans le circuit externe. En revanche, le courant circule dans l’autre sens. Les ions circulent entre les électrodes, dans la solution, et complètent le circuit.

    Le courant généré par les dynamos, les piles et les batteries s appelle courant continu, parce qu’il circule dans une seule direction. C’est d’ailleurs l’objet du collecteur de la dynamo; dans une machine qui en est dépourvue "un alternateur", le courant circule dans les deux directions en alternance. C’est ce courant qualifié d’alternatif qui alimente grand nombre de choses. Il s’agit d’une solution préférable car, à une tension donnée, ce type de courant peut circuler dans des fils plus fins et sa tension est facilement convertie par un transformateur. Les circuits internes des appareils électroniques tels que la télévision et les chaînes hi-fi utilisent du courant continu. Lorsqu’ils sont raccordés à une alimentation en courant alternatif, un redresseur effectue la conversion.

    Lorsque une centrale électriques produit du courant alternatif ayant une fréquence comprise entre 50 et 60 hertz, ces courants à très fortes intensité ont des tensions de plusieurs centaines de volts. Seuls les conducteurs de grosse section peuvent transporter des courants aussi intense sans chauffer et fondre. Donc pour éviter des câbles trop lourds, on réduit l'intensité du courant et on augmente sa tension. La tension est abaissée ensuite pour une distribution locale.

LE COURANT ALTERNATIF :

    C'est le courant électrique qui n’est constant ni en intensité ni en direction. C’est le courant produit par les alternateurs. Il fait des va-et-vient (100 fois c'est à dire 50 périodes en 1 seconde : voir dessin), car sa production dépend du passage d’aimants qui tournent devant une bobine de fils de cuivre.

L'intensité d'un courant électrique:

    C'est le débit des charges dans un circuit : si la charge q en coulombs (C) traverse un circuit pendant une durée t en secondes (s), l'intensité, supposée constante, du courant est donnée par :

Sachant que I se mesure en ampères (A), nous pouvons en déduire que si un courant de 1 A circule pendant 1 heure, la charge Q qui a traversé le circuit est Q=I x t.

    L'intensité représente un débit de charges, c'est à dire le quotient d'un nombre de particules par unité de temps. Il faut savoir que l'intensité du courant est le même en tout point d'un circuit (si il ne comporte pas de dérivation).

La différence de potentiel:

    C'est la quantité d'énergie mobilisable par les électrons pour aller d'un point A à un point B d'un circuit, La différence de potentiel aux bornes d'un générateur est appelée tension (U) nominale. La valeur de mesure est le volt (symbole V)  que l'on mesure avec un voltmètre en dérivation entre A et B.

    La valeur de la tension entre deux points dépend essentiellement des deux points considérés. Il est donc indispensable que la représentation de cette grandeur en tienne compte. Très fréquemment, on est amené à s'intéresser à la tension aux bornes A et B d'un circuit, ou d'une proportion d'un circuit.

L'effet  joule:

    La quantité de chaleur dégagée par le passage d'un courant électrique dans un conducteur est proportionnelle à la durée de passage du courant et au carré de l'intensité; elle dépend du conducteur:

    W désigne la quantité de chaleur dégagée pendant un temps t par un courant d'intensité I. R est la résistance (électrique) du conducteur au passage du courant.
Plus la résistance est grande, plus les électrons éprouvent de difficulté à se déplacer et plus le dégagement de chaleur est important. Si le courant est plus intense que prévu, on peut atteindre la température de fusion du conducteur. (principe pour les fusibles qui vont fondre a un calibrage donné)

La puissance en courant alternatif:

    La puissance réelle dissipée (P) est inférieure à la puissance apparente (S), la puissance réelle s'exprime en watts, la puissance apparente en voltampère (VA) plus un facteur de puissance compris entre 0 et 1 qui est cosj.

    Si on branche un appareil sur le secteur de puissance (P), la tension à la prise de courant étant (V), l'intensité efficace sera :

ect ect ect ect..........................................................................................................................................................................

Bref des formules il y en a des centaines...............

Passons aux exemples avec du matériel qui est utilisé dans le monde du spectacle.

Rappel :  Les tensions normalisées sont généralement 230 et 400 v sur installations récentes.

En mono :    I = P / U . cosj
En triphasé équilibré :   I = P / U . cosj . Racine carrée de 3

(I) en ampère
(P) en watt
(U) en volt
 cosj : facteur de puissance

Calcul pour un projecteur type PC1000 avec lampe halogène:

    nous connaissons la puissance qui est de 1000 Watts la tension d'utilisation, 230Volts et le facteur de puissance = 1 (pour les lampes à incandescence et halogène)

Trouvons: I

    Ce calcul est valable si et uniquement si nous utilisons le projecteur à full (en direct ou 100%), car si l'on applique la même formule à un PC1000 que l'on utilise à 10% via un grada et que l'on applique cette formule :