Comment on mesure le courant

Éclairage Et Installation Électriques 1961

Les électrons en marche.— Le courant.

L'eau est une nécessité vitale dans toute résidence moderne. On l'y amène par gravité, au moyen d'aqueduc, mais aussi en se servant de pompes qui la poussent, pour ainsi dire, dans les conduites d'amenée.

Une fois rendue à destination, l'eau circule dans tout le système de plomberie et de chauffage, prête à être utilisée instantanément. Le réseau qui permet la distribution de l'électricité n'est pas sans ressembler à la tuyauterie d'un système d'aqueduc.

Afin de parvenir jusqu'aux appareils qui servent à produire l'éclairage, la chaleur, la force motrice, etc., dans les différentes parties d'une maison ou d'une usine, l'électricité doit être canalisée.

La tuyauterie qui permet d'amener le courant électrique, ce sont des fils métalliques de grosseur variable; les pompes qui font circuler ce courant, ce sont les génératrices ou dynamos. Le courant électrique parcourt un fil exactement comme l'eau coule dans un tuyau.

Si vous introduisez un électron à l'extrémité d'un fil de cuivre, il se produit immédiatement un déséquilibre des charges de toutes les molécules de ce même fil. Le nouveau venu repoussera l'électron voisin, ce dernier déloge un autre électron du noyau de la molécule suivante, prend sa place, et le chasse vers une autre molécule.

L'électron expulsé déplace un électron de la molécule suivante — et ainsi de suite tout le long du fil. En fait, l'électron ajouté crée à un bout du fil un potentiel plus élevé dont la pression se fait sentir jusqu'à l'autre extrémité de ce même fil.

Quand ce déménagement d'électrons atteint la dernière molécule du fil, on peut dire, en somme, qu'un électron a été transporté dans toute la longueur du fil.

Ce n'est pas le même électron introduit au début, mais vu que tous les électrons se ressemblent, il est assez juste de dire qu'un électron a parcouru toute la longueur du fil.

La fig. 15 illustre par un immense grossissement le chemin qu'a pu suivre cet électron.

Fig. 15.— Le courant est transmis à travers un corps conducteur de l'électricité par le déplacement des électrons.

Vous savez qu'un électron ne peut de lui-même créer un courant électrique suffisant pour être utile. Mais dans un circuit électrique, il y a des milliards et des milliards d'électrons en mouvement, qui fournissent un flux constant d'électricité.

L'AMPÈRE

II est facile d'estimer à peu près l'importance d'une chute d'eau, et de dire sans plus de précision qu'elle est grosse ou petite.

Mais il est autrement plus compliqué d'en mesurer exactement le débit. Il vous faut d'abord trouver une unité de mesure. Gouttes, onces, chopines, pintes, gallons ou barils, voilà autant d'unités dont vous pouvez vous servir pour mesurer les liquides.

Naturellement vous allez choisir la plus commode pour résoudre votre problème, qui ne devra être, par conséquent, ni trop petite ni trop grande. Disons que c'est le gallon.

Seriez-vous capable de calculer le débit de votre chute, si l'on ne vous donnait que le nombre de gallons qui s'y déversent ?

Par exemple, si l'on vous disait:

« 5 millions de gallons tombent de la chute Niagara », qu'est-ce que ça vous dirait ?

Rien du tout !

C'est beaucoup d'eau que 5 millions de gallons, mais il vous faut aussi savoir en combien de temps s'écoule ce volume d'eau. En un an, un mois, une semaine, un jour ou une heure?

Ce ne serait sûrement pas une grosse chute, si c'était en un an. Mais la chute Niagara est colossale; aussi, 5 millions de gallons d'eau y coulent-ils en une seule heure !

Vous voyez donc qu'il vous faut deux éléments pour calculer le débit d'une chute d'eau: le nombre d'unités d'une certaine mesure qui y passent dans une certaine unité de temps. C'est ce qu'on peut appeler le volume horaire d'écoulement.

En général, on fournit en gallons par seconde le débit des eaux, mais ce n'est là qu'une simple convention, et l'on pourrait tout aussi bien s'exprimer en « pintes par seconde » ou en « barils par jour ».

Voilà pour le débit des eaux. Mais comment va-t-on s'y prendre pour mesurer la circulation, le débit d'un circuit électrique ?

Il faut d'abord, tout comme précédemment, choisir une unité de mesure quantitative. L'électron ne convient pas, parce que trop petit.

On utilise le coulomb, beaucoup plus considérable (puisqu'il vaut 6.3 milliards de milliards d'électrons). Aussi, le coulomb est-il l'unité standard de mesure quantitative de l'électricité.

Mais le coulomb seul ne réussit pas plus à mesurer l'intensité d'un courant électrique que le gallon ne peut seul exprimer le débit d'une chute.

Afin de mesurer l'intensité électrique, le coulomb (quantité) doit être obtenu en fonction du temps. Coulombs par seconde correspondent à gallons par seconde.

 Et un coulomb par seconde équivaut à un ampère. L'ampère est donc l'unité de mesure de l'intensité du courant électrique. Un coulomb franchissant un point quelconque d'un circuit en une seconde a la force d'un ampère.

Autrement dit, un ampère d'intensité électrique signifie qu'un coulomb (ou 6.3 milliards de milliards d'électrons) franchit un point donné du circuit en une seconde.

Deux coulombs à la seconde donneraient deux ampères ; et 100 coulombs à la seconde, 100 ampères.

De même 100 coulombs en 2 secondes ne font plus que 50 ampères (50 coulombs par seconde). L'ampérage est la mesure du débit des électrons.

Une ampoule électrique ordinaire ne requiert qu'un demi-ampère de débit. Mais un projecteur de repérage aérien, de 36 pouces de diamètre, nécessite 150 ampères.

Ceci indique que le courant d'un tel projecteur est 300 fois plus fort que celui qui alimente une ampoule électrique ordinaire. Aussi le projecteur éclaire-t-il environ 300 fois plus que l'ampoule en question.

RÉSISTANCE

On se sert du fil de cuivre pour conduire le courant électrique parce que ce métal contient beaucoup d'électrons libres (électrons facilement délogeables).

Le noyau des molécules de cuivre cherche malgré tout à retenir les électrons de son orbite — même les électrons libres. Et l'attraction qu'il exerce sur ces électrons doit être neutralisée ou vaincue, avant que le courant puisse parcourir le fil.

On appelle résistance cette faculté d'attraction ou de rétention qu'exerce le noyau sur les électrons.

Tout corps, même le fil de cuivre, offre au courant une certaine résistance. Quand le courant parcourt un circuit, la résistance de celui-ci doit être vaincue par le potentiel du circuit.

Si le potentiel est grand, ou la résistance faible, le courant est très intense. Au contraire, si le potentiel est faible, ou la résistance grande, le circuit ne laisse passer qu'un courant peu intense.

CONDUCTEURS ET ISOLANTS

On ne sait pas encore exactement pourquoi certains corps transmettent le courant électrique plus facilement que d'autres. La plupart des savants attribuent le phénomène aux molécules de ces corps, dont les électrons libres diffèrent en nombre.

On a déjà vu que ces électrons libres peuvent être facilement délogés d'une molécule et incorporés à la molécule voisine.

Il semble que les molécules de la plupart des métaux n'adhèrent pas fortement les unes aux autres, c'est-à-dire qu'elles auraient de nombreux électrons libres.

En d'autres termes, l'attraction qu'exerce leur noyau sur les électrons est faible et il est relativement facile d'en déloger des électrons. La plupart des métaux ont donc une faible résistance, et sont en conséquence de bons conducteurs.

Par contre, la plupart des corps non métalliques sont formés de molécules d'une grande cohésion, ayant peu ou point d'électrons délogeables. Il est à peu près impossible de faire pénétrer d'autres électrons dans de telles substances. Ces corps non métalliques ont une forte résistance. Ce sont donc de piètres conducteurs ; on les appelle isolants.

Il serait faux de répartir tous les corps en conducteurs ou en isolants. Il n'y a pas de ligne de démarcation absolue.

 Les électriciens utilisent tout simplement les bons conducteurs pour transporter le courant électrique, et les mauvais conducteurs pour l'intercepter.

Voici une liste des meilleurs conducteurs et des meilleurs isolants (ou pires conducteurs) :

Supposons que vous désiriez transporter le courant de votre entrée à un moteur dans la cave ou le garage. Vous choisissez d'abord un fil en métal bon conducteur. Il ne saurait être question de prendre un fil d'argent ; ce métal est trop coûteux.

Par conséquent, vous allez choisir le cuivre. Il vous est interdit d'utiliser un fil nu, à cause d'abord du danger d'incendie qu'il comporte, et ensuite parce qu'il pourrait toucher en cours de route un corps bon conducteur qui lui enlèverait la plus grande partie du courant qu'il transporte.

Afin de prévenir une telle déperdition, vous allez vous servir d'un fil recouvert d'une substance isolante — probablement de caoutchouc. Le cuivre transportera le courant, et le caoutchouc empêchera ce courant de s'échapper du fil.

LE CONTRÔLE DU COURANT

La quantité de courant à admettre dans un fil dépend de la fonction du circuit et de la composition du fil utilisé. Il serait stupide d'envoyer un courant d'un demi-ampère à un projecteur aérien qui en requiert 150.

L'on peut établir la quantité de courant requise de deux façons différentes: par la différence de potentiel, et aussi par la résistance encourue.

Jusqu'ici, on entendait par potentiel, la charge d'un corps ou la charge à une extrémité d'un circuit. Ce changement produit une différence de potentiel entre deux corps ou les points extrêmes d'un circuit.

Retournons à la fig. 12 pour constater comment cette différence de potentiel est facile à établir.

De 0 à 4, il y a une différence de 4 ; et de -2 à +3, différence de 5.

(Soit deux de -2 à 0, et trois de 0 à + 3. Puis, 2 + 3 = 5.)

Rigoureusement parlant, il faudrait nommer ce phénomène différence de potentiel. Les électriciens abrègent souvent l'expression en un seul mot: potentiel.

En augmentant la pression dans un tuyau d'aqueduc, nous en augmentons le débit. De même, accroître la différence de potentiel dans un circuit, c'est ajouter au débit du courant.

Comparez les illustrations de la fig. 16.

Fig. 16.— Les différences de potentiel qui augmentent le débit du courant.

La résistance à l'écoulement étant la même, si vous doublez la pression exercée sur l'eau d'un réservoir, vous poussez deux fois plus d'eau dans le tuyau.

Si vous triplez la pression, le débit sera trois fois plus grand. De même, en doublant la différence de potentiel dans un circuit électrique, vous doublez le débit du courant.

Pour une différence de potentiel de 2, on a un débit d'un seul ampère, mais pour une D.P. (différence de potentiel) de 4, le débit se double à 4 ampères.

Calculez maintenant de combien d'ampères sera le débit, avec une différence de potentiel de 6. Puis vérifiez votre calcul en comparant avec la fig. 16 le résultat obtenu.

Ce que nous venons d'expliquer forme l'une des lois fondamentales de l'électricité qui s'énonce comme suit :

Le courant est directement proportionnel à la différence de potentiel

Le second facteur nécessaire pour établir le courant est la résistance qu'il rencontre sur son passage. La différence de potentiel restant la même, si Ton augmente la résistance, le courant diminuera.

Comparez les illustrations de la fig. 17.

Fig. 17.— Quelques facteurs qui affectent le courant en lui opposant plus ou moinsde résistance.

Dans un système de conduites d'aqueduc, 4 facteurs déterminent la résistance à l'écoulement de l'eau:

1° Le diamètre de la conduite ;

2° La longueur du tuyau ;

3° La sorte de tuyau ;

4° La vitesse d'écoulement.

Plus le tuyau est long, de petit diamètre et sale à l'intérieur, plus le frottement y est prononcé. Le frottement oppose de la résistance, et plus il est accentué, moins il coule d'eau dans le tuyau. Les fils électriques sont la tuyauterie d'un courant électrique.

La résistance des fils, comparable à la friction dans une tuyauterie d'aqueduc, dépend de quatre facteurs relatifs à ces fils:

1 ° Leur diamètre ;

2° Leur longueur ;

3° Leur substance; 4° Leur température.

L'on voit d'après la fig. 17 que plus le fil est mince ou long, plus le débit du courant y est faible, à cause de l'augmentation de la résistance.

De même lorsque le fil est fait d'un matériel peu conducteur ou à résistance plus forte, comme le fer, le débit du courant s'en trouve réduit.

Les trois premiers facteurs de résistance des fils sont semblables aux trois premiers facteurs de débit dans les tuyauteries.

La température, quatrième facteur affectant la résistance d'un fil, est comparable à la vitesse de circulation dans un tuyau.

Pour une raison que les savants ne comprennent pas très bien, la résistance de la plupart des conducteurs électriques augmente avec l'élévation de leur température.

Toutefois, les changements de température produisent un effet si minime, qu'on l'ignore dans la plupart des calculs pratiques.

Lorsque l'un quelconque de ces quatre facteurs:

diamètre, longueur, substance ou température, accroît la résistance d'un fil, le courant diminue.

Nous voici donc en face d'une autre loi fondamentale en électricité:

L'intensité du courant est inversement proportionnelle à la résistance qu'il rencontre.

Supposons encore que vous installiez d'un bout à l'autre d'une usine longue de 300 pieds un fil électrique qui alimentera un réflecteur de 150 ampères. Ce fil aura une résistance considérable, à cause de sa grande longueur.

Afin qu'il n'oppose pas une résistance trop forte, vous choisissez un fil de diamètre suffisant pour transmettre 150 ampères. Vous optez donc pour un fil bon conducteur, donc de faible résistance, fait de cuivre par exemple, et vous l'isolez d'une manière convenable.

Nous avons étudié dans cette section la circulation du courant et la manière d'en calculer la force. Il faut absolument s'assimiler ces notions fondamentales, en particulier le rôle de la résistance et de la différence de potentiel dans la force du courant. Soyez certain de posséder à fond ces principes avant de passer aux sections subséquentes.