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Électricité

L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de la physique qui étudie les phénomènes électriques et leurs applications. Pour les scientifiques, l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de la physique qui étudie les...) est très liée au magnétisme (Le magnétisme est un phénomène physique, par lequel se manifestent des forces attractives ou répulsives d'un objet sur un autre, ou avec des charges électriques en mouvement. Ces objets, dits magnétisables, sont...), ils ont donc créé une discipline, l’électromagnétisme (L'électromagnétisme est une branche de la physique qui fournit un cadre très général d'étude des phénomènes électriques et magnétiques dans leur synthèse du champ...), qui regroupe l'étude des phénomènes électriques et magnétiques.

C'est au cours du XIXe siècle que les propriétés de l'électricité ont commencées à être comprises. Sa maîtrise (La maîtrise est un grade ou un diplôme universitaire correspondant au grade ou titre de « maître ». Il existe dans plusieurs pays et correspond...) a permis l'avènement de la seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La...) révolution industrielle. Aujourd'hui l'énergie électrique (Un apport d'énergie électrique à un système électrotechnique est nécessaire pour qu'il effectue un travail : déplacer une charge, fournir de la lumière,...) est omniprésente dans les pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision de la civitas gallo-romaine. Comme la civitas qui subsiste le...) développés : à partir de différentes sources d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) (hydraulique, thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des...), nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :), ...) l'électricité est de nos jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil...) un vecteur énergétique (Tout ce qui est capable de véhiculer de l’énergie peut être considéré comme un vecteur énergétique.) employé à de très nombreux usages domestiques ou industriels.

La foudre fut la première manifestation visible de l'électricité pour les humains.
La foudre (La foudre est un phénomène naturel de décharge électrostatique disruptive qui se produit lorsque de l'électricité statique...) fut la première manifestation visible de l'électricité pour les humains.
Câbles électriques haute tension plus un Transformateur électrique de distribution
Câbles électriques haute tension (La tension est une force d'extension.) plus un Transformateur électrique (Un transformateur électrique est un convertisseur qui permet de modifier les valeurs de la tension et de l'intensité du courant délivrées par une source d'énergie...) de distribution

Nature de l'électricité

Comme la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de...), la charge électrique (La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière qui respecte le principe de conservation.) est une propriété de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La...) à l'origine de certains phénomènes. Personne n'a jamais observé directement une charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice...) électrique, mais en étudiant certaines particules : les électrons et les protons, les scientifiques ont remarqué que ces particules n'avaient pas les mêmes charges, et que bien souvent elle étaient opposées.

Des charges de nature opposées s'annulent ; la matière ordinaire, qui possède autant de protons que d'électrons, est donc électriquement neutre.

Contrairement à la masse, il existe deux types de charges électriques, qui se comportent comme si elles étaient " opposées " l'une à l'autre ; on les appelle donc par convention positive et négative.

deux charges de nature opposée s'attirent deux charges de même nature, par exemple deux charges positives, se repoussent

C'est le mouvement des charges électriques dans la matière qui est à l'origine de l'électricité.

L'électricité statique (Le mot statique peut désigner ou qualifier ce qui est relatif à l'absence de mouvement. Il peut être employé comme :)

Les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner...) qui composent la matière sont faits d'électrons chargés négativement qui se déplacent autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au...) d'un noyau composé de neutrons (électriquement neutres) et de protons chargés positivement. Le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'électrons étant égal au nombre de protons, l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut...) est électriquement neutre.

Quand on frotte certains matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) entre eux, les électrons superficiels des atomes de l'un sont arrachés et récupérés par les atomes de l'autre. Par exemple une tige (La tige est chez les plantes à fleurs, l'axe, généralement aérien, qui prolonge la racine et porte les bourgeons et les feuilles. La tige se ramifie généralement en branches et rameaux formant...) de verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué d’oxyde de silicium (silice SiO2) et de...) frottée sur un tissu de soie (De la soie (fibre textile d'origine animale) est produite par de nombreux insectes, araignées et chenilles de certains papillons notamment (Yponomeutes, bombyx). Celle qui sert à produire des tissus de soie est issue du cocon produit par...) se charge positivement, car ses atomes perdent des électrons au bénéfice de la soie ; Si on frotte un ballon de baudruche (La baudruche est une pellicule extraite des l'intestin de divers animaux, et, par analogie, une fine pellicule de caoutchouc. Elle est utilisée pour la fabrication de ballons.) sur des cheveux secs, on le charge négativement, car il capte des électrons aux cheveux.

Une règle en plastique frottée sur des vêtements possède une charge négative. Elle peut alors attirer des petits morceaux de papier (Le papier (du latin papyrus) est une matière fabriquée à partir de fibres cellulosiques végétales et animales. Il se présente sous forme de feuilles minces et est...). La règle modifie, par induction électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre elles, c’est-à-dire de leurs interactions.), la répartition des charges dans le papier : les charges négatives de la règle repoussent les charges négatives à l'autre extrémité du morceau de papier et attirent les charges positives des atomes de papier.

On parle d'électricité statique, car les charges électriques ne peuvent pas circuler : elles sont piégées dans des matériaux isolants : (le plastique, le verre, le papier..) qui résistent à la circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) des charges. Il est toutefois possible de leur associer un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau...) (détectable directement ou par le champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée...) qu'il crée) en mettant en mouvement le matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) chargé.

Le courant électrique

Il existe aussi des matériaux conducteurs, comme les métaux, l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) salée, le corps humain (Le corps humain est la structure physique d'une personne.) ou le graphite par exemple, qui permettent aux charges électriques de se déplacer facilement.

Lorsqu'on marche (La marche (le pléonasme marche à pied est également souvent utilisé) est un mode de locomotion naturel. Il consiste en un déplacement en appui alternatif sur les jambes,...) sur une moquette (La moquette ou tapis mur à mur (qc) était à l'origine une etoffe à trame et chaîne en fil mais veloutée de laine. En 1650 on la nommait "moucade" mot d'origine inconnue qui a évolué en...), le frottement (Les frottements sont des interactions qui s'opposent à la persistance d'un mouvement relatif entre deux systèmes en contact.) des pieds sur le sol arrache des électrons et le corps se charge d'électricité statique. Quand on touche une poignée de porte métallique, on ressent alors une petite décharge électrique (Le terme décharge électrique désigne des phénomènes variés :) accompagnée d'une étincelle, causée par le déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la valeur, et finalement le sens En architecture navale, le...) brutal des charges électriques s'écoulant vers le sol à travers les matériaux conducteurs de la porte.

Cet écoulement est dû au fait qu'il y avait plus de charges dans le corps que dans le sol : comme deux charges de même nature ont tendance à se repousser, dans un conducteur elles vont chercher à se déplacer vers le point (Graphie) le moins chargé. Cette différence de charges entre le corps et le sol est appelée une différence de potentiel.

Pour créer un courant électrique, il faut donc un circuit de matériaux conducteurs qui permettra aux charges électriques de se déplacer et, un système capable de créer une différence de potentiel entre les deux extrémités du circuit. Ce système est appelé un générateur : ce peut être par exemple une pile ou une dynamo (Abréviation de dynamoélectrique, dynamo désigne une machine à courant continu fonctionnant en générateur électrique. Elle a été inventée en Belgique en 1869 par Zénobe Gramme. La dynamo repose sur un principe physique : le...).

Le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution...) du courant

Dans un circuit électrique (Un circuit électrique est un ensemble simple ou complexe de conducteurs et de composants électriques ou électroniques parcouru par un courant électrique.) on dit que le courant électrique, noté I, circule entre les électrodes depuis le pôle positif vers le pôle négatif du générateur. Ce sens est purement conventionnel puisque le courant peut aussi bien être causé par des charges positives qui seront attirées par le pôle négatif du générateur, que par des charges négatives qui se déplaceront en sens inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x = 1, si 1 désigne...), vers le pôle positif. C'est ainsi que dans un fil électrique (Un fil électrique, ou câble électrique est un organe fait d'un matériaux conducteur servant au transport de l'électricité. Il peut être mono-brin ou multi-brin, entouré ou non d'une enveloppe...), les charges positives (les noyaux des atomes) restent fixes dans la structure du métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des métaux alcalins. Les métaux sont...) et ne peuvent constituer aucun courant électrique ; le courant électrique dans un métal est créé uniquement par le déplacement des charges négatives (les électrons libres) vers le pôle positif du générateur : c'est un courant électronique, cependant on utilise toujours le sens conventionnel I du courant, institué avant cette découverte.

On parle de courant continu (Le courant continu (CC), par opposition au courant alternatif, est un courant électrique unidirectionnel : le courant circule à chaque instant dans le même sens, le...) quand le sens reste constant et, de courant alternatif (Le courant alternatif est un courant électrique qui change de sens.) quand il change périodiquement. La fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de...) d'un courant alternatif est le nombre de périodes par seconde. Elle s'exprime en hertz (Le hertz (symbole : Hz) est l’unité dérivée de fréquence du système international (SI). Elle est équivalente à une oscillation par seconde (s-1 ou 1⁄s).) [Hz], par exemple en Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme...) le courant distribué dans les installation électriques est à une fréquence de 50 Hz et en Amérique (L’Amérique est un continent séparé, à l'ouest, de l'Asie et l'Océanie par le détroit de Béring et l'océan Pacifique; et à l'est, de l'Europe et de l'Afrique par l'océan Atlantique....) 60 Hz.

Analogie hydraulique (L'hydraulique désigne la branche de la physique qui étudie les liquides. En tant que telle, les champs d'investigation qu'elle propose regroupent plusieurs domaines :)

Pour comprendre certaines propriétés du courant électrique, il est intéressant de le comparer à de l'eau s'écoulant dans un circuit de tuyaux. Le générateur peut alors être vu comme une pompe (Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide.) chargée de mettre en pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) ce liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) dans les tuyaux.

La différence de potentiel, ou tension, ressemble alors à la différence de pression entre deux points du circuit d'eau. Elle est notée U, et exprimée en volts [V].

L'intensité du courant électrique peut être rapprochée du débit (Un débit permet de mesurer le flux d'une quantité relative à une unité de temps au travers d'une surface quelconque.) d'eau dans le tuyau. Elle mesure le nombre de charges qui passent chaque seconde à un point du circuit ; elle est souvent notée I, et mesurée en ampères [A].

La résistance d'un circuit électrique serait alors analogue au diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère.) des tuyaux. Plus les tuyaux sont petits, plus il faut de pression pour avoir le même débit ; de façon analogue, plus la résistance d'un circuit est élevée, plus il faut une différence de potentiel élevée pour avoir la même intensité. La résistance électrique mesure donc la faculté de freiner plus ou moins le passage du courant. Elle est notée R et, elle est exprimée en ohms (Ω).

Il est possible de pousser cette analogie beaucoup plus loin [1] mais il est important de garder à l'esprit qu'elle a ses limites et que certaines propriétés du courant électrique s'écartent sensiblement de ce modèle à base de fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont des fluides peu compressibles....), de tuyaux et, de pompes.

Histoire de l'électricité

Électricité est un mot provenant du grec êlektron signifiant ambre jaune (Il existe (au minimum) cinq définitions du jaune qui désignent à peu près la même couleur :). Les anciens Grecs avaient découvert qu’en frottant l’ambre jaune, celui-ci produisait une attirance sur d’autres objets et, parfois des étincelles. Ils ont donc appelé cette force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale...) électricité.

En 1799, Alessandro Volta (Le comte Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (18 février 1745 - 5 mars 1827) était un physicien italien. Il est connu pour ses travaux sur l'électricité, et pour l'invention de la pile électrique.) invente la pile électrique (Une pile électrique ou simplement une pile est un dispositif électrochimique, ce système transforme l'énergie d'une réaction chimique en énergie électrique. Dans une pile les réactifs sont introduits à la...) et en 1868 le belge Zénobe Gramme (Le gramme est une unité de masse du Système international (l'unité de base est le kilogramme) et du système CGS. L'abréviation du gramme est g.) réalise la première dynamo. En 1879 Thomas Edison présente sa première ampoule électrique à incandescence, une centrale hydraulique de 7 kW est construite la même année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.) à Saint-Moritz, puis, en 1883, Lucien Gaulard et John Dixon Gibbs créent la première ligne électrique. En 1889, une ligne de 14 kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1/299 792 458...) est construite dans la Creuse, entre la Cascade des Jarrauds lieu de production et la ville (Une ville est une unité urbaine (un « établissement humain » pour l'ONU) étendue et fortement peuplée (dont les habitations doivent...) de Bourganeuf.

L'électricité se développe alors progressivement pendant le vingtième siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une génération humaine et...), d'abord dans l'industrie, l'éclairage public et le chemin de fer (Le chemin de fer est un système de transport guidé servant au transport de personnes et de marchandises. Il se compose d'une infrastructure spécialisée, de...) avant d'entrer dans les foyers. Différents moyens de production de l'électricité se développent : Centrales hydraulique, thermique, éolien, puis nucléaire...

La production d'électricité

Sources de l'électricité mondiale en 2000 [2]
  • a : charbon 39%
  • b : hydroélectrique 17%
  • c : nucléaire 17%
  • d : gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre...) 17%
  • e : pétrole (Le pétrole est une roche liquide carbonée, ou huile minérale. L'exploitation de cette énergie fossile est l’un des piliers de l’économie industrielle...) 8%
  • f : éolienne (Une éolienne est un dispositif qui utilise la force motrice du vent. Cette force peut être utilisée mécaniquement (dans le cas d'une éolienne de pompage), ou produire de l'électricité (dans le cas d'un aérogénérateur).), géothermique.. 2%

L'électricité représente environ un tiers de l'énergie consommée dans le monde (Le mot monde peut désigner :). L'électrotechnique (Étymologiquement l'électrotechnique désigne l'étude des applications techniques de l'électricité. En réalité, l'électrotechnique regroupe les disciplines traitant l'électricité en tant qu'énergie. On peut citer la production, le...) est la science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au...) des applications domestiques et industrielles (production, transformation, transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal ..). Par...), distribution et utilisation) de l'électricité.

La méthode la plus courante pour produire de grandes quantités d'électricité est d'utiliser un générateur, convertissant une énergie mécanique (L'énergie mécanique est une quantité utilisée en mécanique classique pour désigner l'énergie d'un système emmagasinée sous forme d'énergie cinétique et d'énergie potentielle mécanique. C'est une quantité conservée en...) en une tension alternative (Alternatives (titre original : Destiny Three Times) est un roman de Fritz Leiber publié en 1945.). D'une manière générale la source n'est pas forcément mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de...), on peut penser aux piles ou aux panneaux solaires par exemple.

Cette énergie d'origine mécanique est la plupart du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) obtenue à partir d'une source de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !), issue elle-même d'une énergie naturelle, telles les énergies fossiles, pétrole, nucléaires ou une énergie renouvelable (Une énergie renouvelable est une source d'énergie se renouvelant assez rapidement pour être considérée comme inépuisable à l'échelle de temps humaine. Les énergies renouvelables sont issues de phénomènes naturels réguliers...), l'énergie solaire (L'énergie solaire est l'énergie que dispense le soleil par son rayonnement, directement ou de manière diffuse à travers l'atmosphère. Sur Terre, l'énergie...). On peut également directement utiliser une énergie mécanique, l'énergie hydraulique (L'énergie hydraulique est l'énergie mise en jeu lors du déplacement ou de l'accumulation d'un fluide incompressible telle que l'huile, l'eau douce ou l'eau de mer.) ou l'énergie éolienne (L'énergie éolienne est l'énergie du vent et plus spécifiquement, l'énergie tirée du vent au moyen d'un dispositif aérogénérateur ad hoc comme une éolienne ou un moulin à vent. L'énergie éolienne est une énergie...).

Transport et distribution

Le courant qui circule sur réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle...) électrique est le plus souvent alternatif et triphasé (Le triphasé est un système de trois tensions sinusoïdales de même fréquence qui sont déphasées entre elles (de 120 ° ou ?π radians dans le cas idéal). Si la fréquence est de 50 Hz par exemple, alors les trois...) car c'est le plus économique à produire et à transporter. Alors que le consommateur final à besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes catégories : les besoins primaires, les besoins secondaires et...) de courant à basse tension (Les normes européennes définissent le domaine de la basse tension (abréviation BT) comme les tensions comprises entre :), moins dangereux à utiliser, il est plus économique de transporter un courant à très haute tension (La très haute tension (THT) est une ancienne dénomination de la classe des tensions utilisées pour le transport longue distance de l'électricité. Cette classe concernait les tensions supérieures à 100 000 volts.) sur de longues distances.

En effet, à puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) constante, si l'on augmente la tension, alors on réduit l'intensité du courant (P=U*I) et donc, également les pertes par effet Joule (L'effet Joule est la manifestation thermique de la résistance électrique. Il se produit lors du passage d'un courant électrique dans tous matériaux...) ou pertes thermiques (Pth=R*I²), mais aussi l'effet "peau (La peau est un organe composé de plusieurs couches de tissus. Elle joue, entre autres, le rôle d'enveloppe protectrice du corps.) d'orange" qui limite la circulation des forts courants à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...) extérieure des conducteurs ce qui obligerait l'utilisation de câbles de cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et présente sur ses surfaces fraîches une teinte rosée à pêche. C'est un...) de plus grosse section. On utilise donc des transformateurs élévateurs de tension de manière à réduire l'intensité du courant pour le transporter et, des transformateurs abaisseurs de tension pour la distribution (en Basse tension) aux usager.

Conversion transformation

Les tensions électriques peuvent être transformées et converties.

En règle générale pour les grosses puissances, les tensions sont alternatives et passent par des transformateurs pour convertir le courant en flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est employé dans les...) magnétique lui-même converti à nouveau en courant grâce à des bobines. Ce principe permet de changer le niveau de tension tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en conservant la fréquence et une isolation galvanique entre le réseau primaire et secondaire du transformateur. Pour les puissances le permettant technologiquement, on utilise des convertisseurs à semi-conducteurs (transistors, thyristors) :

  • Des redresseurs pour convertir une tension alternative en tension continue.
  • Des onduleurs pour convertir les tensions continues en alternatives.
  • Des convertisseurs permettent la conversion directe de tension continue en tension continue par découpage à haute fréquence.

Stockage

Pour l'électricité transportée et distribuée au moyens de conducteurs, il est nécessaire d'équilibrer à tout moment la production et la consommation. Les centrales thermiques au gaz, au pétrole ou au charbon, sont généralement utilisées pour répondre à des pics de demande. On utilise aussi des stations de pompage-turbinage entre deux retenues d’eau : pendant les heures (L'heure est une unité de mesure  :) creuses l'eau est pompée vers le bassin supérieur et pendant les heures de pointe l'eau passe dans une turbine (Une turbine est un dispositif rotatif destiné à utiliser la force d'un fluide (eau, vapeur, air, gaz de combustion), dont le couple est transmis au moyen d'un arbre.) qui produit un appoint d'électricité sur le réseau.

Il est aussi possible de stocker l'électricité à petite échelle au moyen de batteries d'accumulateurs, de condensateurs ou de bobines d'inductances.

  • Les batteries d'accumulateurs sont très répandues pour l'utilisation des équipements et systèmes autonomes fixes ou mobiles.
  • Les condensateurs sont utilisés depuis longtemps en électricité et électronique, mais il est apparu récemment les supercondensateurs permettant de disposer de plus de puissance instantanée qu'avec des batteries d'accumulateurs classiques de taille plus grande, mais pendant des temps très courts. Une utilisation possible peut trouver sa place dans la traction électrique automobile (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un moteur. Ce véhicule est conçu pour le transport terrestre de personnes ou de marchandises, elle est équipée en conséquence....) pour les phases transitoires d'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique,...), d'autant plus que la recharge des condensateurs est presque instantanée.
  • Le stockage de l'énergie électrique dans des selfs ou bobines d'inductances n'offre d'intérêt qu'avec des matériaux supraconducteurs, ce qui n'est encore que du domaine expérimental en matière de stockage.

Les métiers de l’électricité

L'électrotechnique est une technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) qui peut être pratiquée par un ingénieur (« Le métier de base de l'ingénieur consiste à résoudre des problèmes de nature technologique, concrets et souvent complexes, liés à la conception, à la réalisation et à la mise en œuvre de produits, de systèmes ou...), un électrotechnicien, un dessinateur-projeteur...

Le bobineur (Le bobineur est le technicien qui réalise les circuits magnétiques avec l'aide de différentes machines.) est un technicien qui réalise les circuits magnétiques comme ceux des moteurs (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie mécanique ou...) ou des générateurs. Le monteur-câbleur réalise les armoires de commande (Commande : terme utilisé dans de nombreux domaines, généralement il désigne un ordre ou un souhait impératif.), et il procède au raccordement.

Les électriciens câblent les réseaux basse tension dans le bâtiment, l'industrie, le tertiaire, la marine, l'aéronautique (L'aéronautique inclut les sciences et les technologies ayant pour but de construire et de faire évoluer un aéronef dans...) ou l'automobile par exemple.

Utilisation de l'électricité

Aujourd'hui l'électricité sert pour l'éclairage, le chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un matériau.) ou la climatisation (La climatisation est la technique qui consiste à modifier, contrôler et réguler les conditions climatiques (température, humidité, niveau de...). Elle fait tourner les moteurs électriques qui font avancer les trains ou fonctionner les appareils ménagers. Elle fait fonctionner les appareils électroniques, le téléphone (Le téléphone est un système de communication, initialement conçu pour transmettre la voix humaine.), la radiodiffusion, la télévision (La télévision est la transmission, par câble ou par ondes radioélectriques, d'images ou de scènes animées et généralement sonorisées qui sont reproduites sur un...), la sonorisation (La sonorisation est le renforcement d'une ou plusieurs sources sonores trop faibles afin de leur permettre d'être entendues par un auditoire plus large.). L’informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine d'activité scientifique, technique et industriel en rapport avec le traitement automatique de l'information par...), les automates, les communications numériques (internet, réseaux) ont besoin d'électricité.

Le réseau domestique

À part les appareils à piles ou les batteries d'automobile, la majorité de l'électricité utilisée dans la vie (La vie est le nom donné :) quotidienne provient du réseau électrique. Chaque habitation est reliée au réseau par l'intermédiaire d'un tableau (Tableau peut avoir plusieurs sens suivant le contexte employé :) qui contient au moins un compteur destiné à la facturation ainsi qu'un disjoncteur (Un disjoncteur est un organe électromécanique, voire électronique, de protection, dont la fonction est d'interrompre le courant électrique en cas...) servant d'interrupteur (Un interrupteur (dérivé de rupture) est un dispositif ou organe, physique ou virtuel, permettant d'interrompre ou d'autoriser le passage d'un flux. Il ne faut pas confondre l'interrupteur qui permet d'éteindre ou...) général et, permettant de protéger l'installation. De ce disjoncteur sortent deux conducteurs qui alimentent l'installation domestique : la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) et le neutre et parfois deux conducteurs de phase supplémentaires, dans les installations triphasées. On trouve un troisième conducteur pour la mise à la terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par...).

On trouve ensuite un tableau de fusibles ou de disjoncteurs, distribuent le courant dans les différents circuits de la maison (Une maison est un bâtiment de taille moyenne destiné à l'habitation d'une famille, voire de plusieurs, sans être considérée comme un...). On prévoit généralement des circuits spécialisés pour les appareils qui ont besoin de beaucoup de puissance (four, cuisinière électrique, lave-linge, lave-vaisselle, chauffe-eau...), normalement, par pièce un circuit pour l'éclairage et un pour les prises électriques.

On utilise des interrupteurs pour ouvrir ou fermer les circuits électriques. Il est possible d'utiliser des montages spéciaux comme un va-et-vient ou un télérupteur quand on souhaite créer plusieurs points de commande, par exemple à chaque bout d'un couloir.

Applications industrielles

  • L'électrolyse (Dans l'industrie chimique, l'électrolyse est une méthode de séparation d'éléments ou de composés chimiques liés utilisant l'électricité.) sert à fabriquer l'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la masse totale.), à plaquer les métaux...
  • Les moteurs électriques servent (Servent est la contraction du mot serveur et client.) à fournir de l'énergie de fonctionnement des machines
  • Les arcs électriques servent à souder ou à découper des métaux
  • l'alimentation de circuits électroniques, de relais, de contacteurs permet des séquences automatisées.

Santé (La santé est un état de complet bien-être physique, mental et social, et ne consiste pas seulement en une absence de maladie ou d'infirmité.) et électricité

L'électrisation (Le terme électrisation signifie charger d'électricité (ou de charges électriques) un objet.) est le passage de courant électrique dans le corps humain. Quand le courant est trop fort cela peut par exemple entraîner des brûlures ou un arrêt cardiaque. On considère habituellement qu'une tension de plus de 50 V alternatifs / 120 V continus présente un danger potentiellement mortel : voir électrocution (L'électrocution est le décès consécutif au passage de courant électrique dans le corps humain (électrisation).).

Les conséquences d'une électrisation dépendent de la nature de la tension (alternative ou continue), de la résistance du corps humain généralement admis comme étant à 5000 ohms et 500 ohms dans l'eau, de l'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) du courant circulant et du temps de passage de ce courant. Il est couramment admis quelques seuils sur lesquels se basent les règles de sécurité :

  • Au-dessus de 20 mA, danger de fibrillation cardiaque si passage par le cœur. Donc, en dessous de la TBT (Très Basse Tension) 50 VAC / 120 VDC, peu de danger pour l'homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo sapiens) ou plus simplement...) (U/R<30mA).
  • Au delà de ces tensions le danger est bien réel
  • Au-dessus de 1000 V, danger même sans être au contact car ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une molécule. L'atome - ou la molécule - en perdant ou en gagnant des charges n'est plus neutre électriquement. Il est alors appelé ion.) de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les...) autour du conducteur, les distances d'approche minimales sont évaluées (d'où l'interdiction d'entrer dans les transformateurs électriques).

Il est à noter que l'absence visuelle de brûlure après une électrisation n'exclue pas des brûlures internes sur le chemin de passage du courant dans le corps pouvant engendrer des nécroses.

Mais l'électricité sert aussi à soigner : elle est la seule énergie pouvant alimenter les appareils de pointe utilisés en médecine (La médecine (du latin medicus, « qui guérit ») est la science et la pratique (l'art) étudiant l'organisation du corps humain (anatomie), son fonctionnement normal (physiologie), et cherchant à...), permettant des techniques de soin telles que radiothérapie (La radiothérapie est une méthode de traitement locorégional des cancers, utilisant des radiations pour détruire les cellules cancéreuses en bloquant leur...), électropuncture, stimulateur cardiaque, prothèse), et de diagnostic (Le diagnostic (du grec δι?γνωση, diágnosi, à partir de δια-, dia-, „par, à travers, séparation, distinction“ et γν?ση, gnósi, „la...) telles que radiographie, scanner (Un scanneur, ou numériseur à balayage est l'équivalent du terme anglais scanner, qui vient du verbe anglais to scan, signifiant « balayer » dans le sens de...), résonance (Lorsqu'on abandonne un système stable préalablement écarté de sa position d'équilibre, il y retourne, généralement à travers des oscillations propres. Celles-ci se produisent à la fréquence propre...) magnétique, endoscopie.

Contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui l'entourent. Le concept de contexte issu...) réglementaire

En France, le décret N° 88-1056 du 14 novembre 1988 traite de la protection des travailleurs dans les établissements assujettis au code du travail livre 2 titre 3 qui mettent en œuvre des courants électriques. Il s’applique également aux entreprises étrangères à l’établissement et auxquelles celui-ci confie soit des travaux sur ses propres installations électriques, soit des travaux de quelque nature que ce soit au voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la topologie. La topologie traite plus naturellement les notions globales comme la continuité qui s'entend ici...) d’installations électriques.

Normalisation

Il existe en France trois normalisations en électricité :

  • internationale : la Commission électrotechnique internationale (CEI)
  • européenne : le Comité européen de normalisation en électronique et en électrotechnique (CENELEC)
  • française : l’Union technique de l'électricité (UTE)

La normalisation en France est réglementée par la loi du 24 mai 1941 qui a créé l’Association française de normalisation (AFNOR) et définit la procédure d’homologation des normes. Cette loi est complétée par le décret n° 84-74 du 26 mai 1974, modifié par les décrets n° 90-653 et 91-283.

Par ailleurs, une norme (Une norme, du latin norma (« équerre, règle ») désigne un état habituellement répandu ou moyen considéré le plus souvent comme une...) homologuée peut être rendue d’application obligatoire par arrêté, mais cette procédure n’a été jusqu’à présent que peu utilisée en électricité. ( NF C 15-100, NF C 13-200 )

Il existe deux grandes familles de normes qui visent d’une part la construction du matériel électrique et d’autre part la réalisation des installations électriques.

Les principales normes de réalisation sont :

  • la NF C 15-100 : installations électriques à basse tension ;
  • la NF C 13-100 : postes de livraison ;
  • la NF C 13-200 : installations électriques à haute tension ;
  • la NF C 14-100 : installations de branchement (basse tension).

Les principales normes de conception sont :

  • la NF C 20-010 : classification des degrés de protection procurés par les enveloppes ;
  • la NF C 20-030 : règles de sécurité relatives à la protection contre les chocs électriques ;
  • la NF C 71-008 : baladeuses.

L'électricité dans la nature

Les échanges électriques sont omniprésents dans la nature. En général, il s’agit de phénomènes ni très visibles, ni évidents, mais ils sont fondamentaux ; les forces électromagnétiques et électrofaibles font partie des quatre interactions fondamentales qui structurent tout l’univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.).

La foudre

La friction de nombreux matériaux naturels ou artificiels produit de la triboélectricité. La foudre est une énorme décharge électrique due à l'accumulation d'électricité statique dans les nuages. En temps normal l'air est un isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les isolants thermiques, les isolants phoniques et les isolants mécaniques. Le...) qui ne laisse pas passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) l'électricité. Quand les nuages d'orages accumulent trop de charges électriques, ils parviennent à modifier la structure de l'air en la transformant localement en un plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un plasma qui constituerait les grandes étoiles à neutrons avant qu'elles ne s'effondrent en trou...) ionisé qui conduit l'électricité. Des arcs électriques se forment alors entre le nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en suspension dans l’atmosphère. L’aspect d'un nuage dépend de la lumière qu’il reçoit, de...) et la terre : les éclairs.

L'électrisation de l'air peut donner lieu à d'autres phénomènes, comme le Feu (Le feu est la production d'une flamme par une réaction chimique exothermique d'oxydation appelée combustion.) de Saint-Elme

Au cœur de la matière

C'est l'électricité qui permet la cohésion des atomes de la matière, par exemple dans les cristaux de sels. Les circulations de charges électriques interviennent dans de nombreux phénomènes naturels, et notamment dans les réactions chimiques d’oxydo-réduction comme la combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique (c’est-à-dire accompagnée d’une production d'énergie sous forme de chaleur ).).

Le champ électromagnétique (Le champ électromagnétique est le concept central de l'électromagnétisme. On le conçoit souvent comme composition des deux champs vectoriels que l'on peut mesurer...) terrestre est lui aussi créé par des courants électriques circulant dans le noyau de notre planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa gravité la maintienne en...).

Les poissons (Les Poissons sont une constellation du zodiaque traversée par le Soleil du 12 mars au 18 avril. Dans l'ordre du zodiaque, elle se situe entre le Verseau à l'ouest et le Bélier à l'est. Bien...) électriques

Torpille du pacifique
Torpille du pacifique

Les poissons électriques sont capables d'utiliser le courant électrique pour s'orienter, pour se protéger ou bien pour communiquer. Il existe des espèces qui sont capables de produire de véritables décharges électriques : 600 V pour l'anguille électrique. Cela lui permet d'assommer ses proies avant de les consommer. Ils produisent de telles décharges électriques grâce à leur organe (Un organe est un ensemble de tissus concourant à la réalisation d'une fonction physiologique. Certains organes assurent simultanément plusieurs fonctions, mais...) électrique, qui ont une structure interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à...) semblable aux muscles.

L'influx nerveux

En réalité tous les êtres vivants produisent de l'électricité pour animer les muscles ou pour transmettre de l’information par l'influx nerveux des nerfs par exemple. C'est ainsi que les médecins utilisent l'électrocardiographie et l'électro-encéphalographie pour vérifier le bon fonctionnement du cœur ou du cerveau (Le cerveau est le principal organe du système nerveux central des animaux. Le cerveau traite les informations en provenance des sens, contrôle de...). La science qui étudie la production d'électricité par les êtres vivants est l'électrophysiologie.

Notes

  1. Précisions et développements de l'analogie hydraulique pour U, R et I, mais aussi les sources de tension (continue ou alternative), les points de masse, les condensateurs et les inductances : Analogie hydraulique
  2. Source Science & Décision (lien)
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