Électricité dynamique
23. Courants électriques
Les courants électriques sont tous d'une nature identique, mais ils peuvent varier d'intensité, de sens et d'amplitude. Selon le genre de variation, on divise les courants en trois sortes : courant continu, courant alternatif et courant pulsatif.
24. Courant continu
Le courant continu demeure constant en sens et en intensité (fig. 3.1). Les générateurs de courant continu sont les piles, les accumulateurs, les dynamos et les magnétos.
Fig. 3.1 Courant continu
25. Courant alternatif
Le courant alternatif circule dans un sens, puis dans le sens contraire. Le renversement se produit à des intervalles très réguliers qu'on appelles alternances.
Au cours de deux alternances, le courant passe d'une valeur nulle à une valeur positive maximum, revient à zéro, passe à une valeur négative maximum, revient de nouveau à zéro; on dit qu'il a accompli un cycle. On représente le cycle par une courbe sinusoïdale (fig. 3.2).
Fig. 3.2 Courant alternatif
Après être revenu à zéro, sa valeur augmente de nouveau dans le sens positif, etc. ; il recommence un cycle.
Le temps que dure un cycle s'appelle période et le nombre de cycles que le courant effectue en une seconde s'appelle fréquence (nombre de périodes par seconde).
Les courants alternatifs sont produits par les alternateurs.
La plupart des centrales électriques produisent du courant alternatif qui se prête au transport sur de longues distances, grâce à la transformation facile de son voltage (élévation ou abaissement).
On peut ainsi lui faire franchir de longues distances sous une tension élevée avec des conducteurs de diamètres relativement faibles, comme nous le verrons dans un des chapitres suivants. On l'abaisse ensuite au voltage requis au point d'utilisation, à l'aide de transformateurs.
26. Courant pulsatif
Le sens du courant pulsatif, comme celui du courant continu, reste constant, mais son intensité varie à intervalles réguliers (fig. 3.3).
Fig. 3.3 Courant pulsatif
Les courants pulsatifs sont généralement obtenus par redressement du courant alternatif. Plus la différence est petite entre les valeurs maxima et minima des pulsations, plus un courant pulsatif se rapproche du courant continu.
A partir d'un courant continu, alternatif ou pulsatif, on obtient deux variantes: le courant intermittent et le courant oscillant.
27. Courant intermittent
On obtient un courant intermittent (fig. 3.4) à l'aide d'appareils spéciaux, vibrateur ou tambour rotatif, fermant et ouvrant le circuit à intervalles réguliers.
Fig. 3.4 Courant intermittent
On utilise le tambour rotatif dans les enseignes lumineuses pour produire des jeux de lumière.
Les durées relatives de l'éclairage et de l'extinction sont variables ; éclairage plus long, égal ou plus court que l'extinction. Il est possible aussi d'allumer ou d'éteindre plusieurs lumières plus longtemps que d'autres.
28. Courant oscillant
Lorsqu'un condensateur se décharge, l'énergie électrique libérée produit un courant qui, comme le courant alternatif, change de sens, mais sa fréquence peut atteindre, dans certains cas, plusieurs millions d'oscillations par seconde.
Le courant passe d'une valeur maximum, au début de la décharge, à une valeur nulle, à la fin (fig. 3.5).
Fig. 3.5 Courant oscillant
La durée de la décharge ainsi que le nombre et l'amplitude des oscillations dépendent de plusieurs facteurs dont les plus importants sont la tension et la capacité du condensateur, et la résistance du circuit de décharge.
Par exemple, avec une résistance très élevée, la décharge s'effectuera d'une manière continue et toujours dans le même sens.
29. Intensité du courant — ampère
L'intensité du courant exprime la vitesse du débit, c'est-à-dire le passage d'un certain nombre d'unités de quantité par seconde. On a vu que l'unité de quantité est le coulomb qui représente le déplacement de 6.28 X 1018 électrons.
L'ampère est l'unité d'intensité. Un courant d'une intensité de 1 ampère laisse passer une quantité d'électricité de 1 coulomb par seconde.
Comme il est impossible de compter le nombre d'électrons, on donnera une définition plus concrète de l'ampère (section Unités de mesure).
La relation entre l'ampère et le coulomb s'exprime par la formule:
Q = I X t
dans laquelle:
Q = débit du courant, exprimé en coulombs
I = intensité du courant, exprimée en ampères
t = temps, exprimé en secondes
Quand il importe de connaître la quantité totale d'électricité nécessaire, par exemple, pour charger un condensateur ou pour effectuer une électrolyse, on emploiera le coulomb pour l'exprimer.
Par contre, dans un circuit d'alimentation, ce qu'il est important de connaître, c'est l'intensité maximum que les conducteurs peuvent supporter. On ne se soucie pas de la quantité totale d'électricité, ni du temps qu'elle met à passer.
On choisit alors l'ampère comme unité de mesure. En effet, les effets calorifiques, magnétiques, etc. du courant dépendent de son intensité.
Si, par exemple, 1000 coulombs prennent une heure pour circuler dans un conducteur, la quantité de chaleur qu'ils produisent se dissipera rapidement par rayonnement.
D'autre part, le champ magnétique autour du conducteur sera faible ; par contre, si les 1000 coulombs traversent le conducteur en une seconde seulement, la quantité totale de chaleur dégagée reste bien la même, mais elle a été produite en un temps 3600 fois plus court.
Le conducteur s'échauffera beaucoup plus vite, sa température deviendra élevée et son champ magnétique sera plus intense.
En raisonnant par analogie, on peut dire que le nombre de coulombs, en électricité, s'apparente à un nombre fini de gallons, en hydraulique, tandis que les ampères représentent un débit exprimé, en hydraulique, en "gallons par seconde".
30. Production du courant
a) Méthode chimique
Dans
la méthode chimique, on utilise les piles et les accumulateurs que nous
étudierons en détail dans un des chapitres suivants. Ces générateurs sont
constitués par deux métaux différents baignant dans un électrolyte (fig. 3.6).
Fig. 3.6 Production chimique du courant
L'électrolyte attaque l'un des métaux plus profondément que l'autre; le premier devient le pôle négatif; le second, le pôle positif.
Si l'on réunit ces deux métaux par un conducteur, on constate qu'un courant électrique circule dans le conducteur, du pôle positif vers le pôle négatif. L'énergie potentielle chimique s'est transformée en énergie électrique.
Nous verrons que dans les piles, le phénomène est irréversible, tandis qu'il est réversible dans les accumulateurs, mais le principe de fonctionnement reste essentiellement le même.
b) Méthode mécano-magnétique
Dans la méthode mécano-magnétique, on transforme de l'énergie mécanique en énergie électrique, en mettant à profit les phénomènes de magnétisme et d'électromagnétisme.
On utilise comme générateurs des alternateurs, des dynamos ou des magnétos.
La partie mécanique de ces appareils est constituée par une machine (machine à vapeur, moteur à combustion interne, turbine) mue soit par l'énergie calorifique (cas général), soit par l'énergie hydraulique (chutes d'eau) ou par l'énergie éolienne (vent), dans le cas de certaines turbines.
Le mouvement se traduit par le déplacement d'un conducteur (induit) dans le champ magnétique d'un aimant ou d'un électro-aimant (inducteur) (fig. 3.7). Il en résulte, dans le conducteur, une force électromotrice qui donne naissance à un courant alternatif recueilli sur un collecteur.
Fig. 3.7 Production mécano-magnétique du courant
Dans l'alternateur, on utilise tel quel le courant produit, tandis que dans la dynamo (génératrice) on transforme le courant alternatif en courant continu, à l'aide d'un dispositif (commutateur et charbons).
Les magnétos, de faible puissance, ne comprennent que des aimants permanents et ne servent plus que pour l'allumage de certains moteurs à explosion.
c) Méthode thermique
La méthode thermique permet de transformer directement de l'énergie calorifique en énergie électrique (pyroélectricité) ; elle est basée sur le fait suivant :
si deux métaux différents sont assemblés par soudage pour former une courbe (circuit) et que l'on chauffe l'une des soudures, il se produit un courant électrique et les variations de la force électromotrice suivent celles de la température.
En graduant un appareil de mesure en degrés, et non en volts, on lira directement la valeur de la température.
Ce dispositif prend le nom de couple thermo-électrique ou thermocouple (fig. 3.8). On l'utilise dans la fabrication des pyromètres (thermomètres spéciaux pour mesurer les températures élevées).
Fig. 3.8 Production thermique du courant
Le couple thermoélectrique constitue un véritable générateur, l'un des métaux devenant positif par rapport à l'autre.
À titre d'exemple, les métaux suivants sont positifs par rapport à ceux qui les suivent dans l'énumération et négatifs par rapport à ceux qui les précèdent :
Nickel - Platine - Argent - Etain - Plomb - Cuivre -Or - Zinc - Fer.
d) Méthode piézoélectrique
Le mot piézo provient du grec piezein (presser).
Lorsqu'on soumet certains cristaux (hémièdres), le quartz en particulier, à des compressions ou à des tractions, une différence de potentiel s'établit entre les deux faces.
Le phénomène cesse en même temps que cesse l'action mécanique et le changement de sens de celle-ci provoque le changement de sens du courant.
L'effet piézoélectrique est réversible. On le démontre en reliant une lampe au néon aux deux faces d'une lamelle de quartz. Si l'on applique alors de petits coups brusques sur le cristal, la lampe s'allume.
Réciproquement, si l'on soumet la lame à l'action d'un courant alternatif, on verra le cristal vibrer.
Cette particularité donne lieu à des applications très intéressantes, entre autres la production et la détection des ultrasons.
e) Méthode photo-électrique
La méthode photo-électrique permet de transformer de l'énergie lumineuse en énergie électrique.
Elle est basée sur la propriété que possèdent certains métaux alcalins (sélénium, potassium, sodium, rubidium, césium) d'émettre, sous l'action de radiations lumineuses, des électrons.
On distingue les cellules photorésistantes, les cellules photoémettrices et les cellules photovoltaïques.
Ces dernières sont appelées aussi photopiles, car elle n'exigent aucune différence de potentiel entre leurs électrodes et constituent de véritables générateurs électriques fonctionnant sous la seule action de la lumière.
Une cellule photo-électrique comprend essentiellement une anode et une cathode, cette dernière généralement constituée par un demi-cylindre en cuivre recouvert d'un des métaux sensibles à la lumière.
La cellule photronic, par exemple, de construction très simple, comprend une cathode constituée de sélénium et d'oxyde de zinc, recouverte d'une mince couche d'argent.
Le courant obtenu, proportionnel à la seule intensité du flux lumineux qui frappe la cathode, reste toujours suffisamment intense pour agir sur la bobine d'un relai d'avertisseur.
La cellule photo-électrique est un "oeil magique", beaucoup plus sensible que l'oeil humain. Aussi, ses usages sont extrêmement nombreux. Nous citerons :
1- décèlement de défauts dans des plaques minces de métal (fig. 3.9);
2- comptage d'objets;
3- classement d'objets de même couleur;
4- commande à distance de portes (ouverture et fermeture);
5- système d'avertissement contre l'incendie et le vol;
6- prévention des accidents; etc. . .
Fig. 3.9 Décèlement de défauts par une cellule photo-électrique
31. Effets du courant
Le courant électrique produit des effets magnétiques, calorifiques, lumineux et chimiques.
Il peut enfin exercer, selon les conditions, une action bienfaisante ou dangereuse sur le corps humain ; nous donnerons un bref aperçu de cette dernière, étroitement liée à la prévention des accidents.
a) Effet magnétique
Tout courant électrique crée un
champ magnétique dans un plan perpendiculaire au conducteur dans lequel il
circule.
Si l'on place une boussole sur une table, elle prend normalement une
direction nord-sud (magnétique).
En approchant un conducteur parcouru par un courant, on voit l'aiguille se mettre en croix avec le conducteur (fig. 3.10), ce qui met en évidence l'existence de lignes de force magnétique.
Fig. 3.10 Action du champ magnétique sur une boussole
Si l'on renverse le courant, l'aiguille de la boussole se dirigera dans le sens opposé, preuve que les lignes de force ont aussi changé de sens.
Enfin, dès que l'on éloigne le conducteur ou que l'on supprime le courant, l'aiguille reprend une direction normale.
Cette propriété du courant est largement utilisée dans la fabrication de nombreux appareils domestiques et industriels tels que sonneries, téléphones, relais, inducteurs, etc.
Ces appareils fonctionnent tous sur le même principe : l'effet magnétique produit par un courant dans un enroulement de spires autour d'un noyau de fer doux.
b) Effet calorifique
L'effet calorifique trouve aussi son application dans les appareils électriques modernes, soit ménagers (fer à repasser, chaufferette, grille-pain, etc.), soit industriels (fours).
Dans ces appareils on utilise surtout le chrome, le tungstène, le nickel, etc. Lorsque l'on cherche, au contraire, à réduire l'effet calorifique, on utilise le cuivre, conducteur de faible résistance.
Dans des conducteurs en cuivre de diamètre suffisant, réchauffement restera minime, presque imperceptible, mais il faut se souvenir que l'effet calorifique se manifeste toujours dès qu'un courant électrique circule dans un conducteur.
c) Effet lumineux
L'effet lumineux est une conséquence de l'effet calorifique.
Lorsque la température d'un conducteur atteint une valeur suffisamment élevée pour qu'il devienne incandescent il y a production de lumière.
Dans les lampes électriques, le courant passe dans un filament de tungstène enfermé dans une ampoule en verre remplie d'un gaz inerte (argon, azote) dont le but est de retarder la désagrégation du filament et de permettre des températures plus élevées, donc plus de luminosité.
d) Effet chimique
L'effet chimique n'est obtenu qu'avec du courant continu. Avec du courant alternatif, la réaction se renverse avec l'inversion du courant.
Quand on fait passer un courant continu dans de l'eau acidulée, l'eau se décompose en ses deux éléments (fig. 3.11) et dans la même proportion que les gaz ont dans l'eau (H2O). On recueille deux fois plus d'hydrogène à la cathode qu'on ne recueille d'oxygène à l'anode.
Fig. 3.11 Électrolyse de l'eau
Cette décomposition chimique porte le nom à l'électrolyse et on l'utilise dans certaines applications telles que la préparation électrolytique des métaux, l'affinage du cuivre, la galvanoplastie, etc.
f) Effets sur le corps humain
Un effet bien connu des courants est de provoquer la contraction des nerfs et des muscles (secousse électrique). Dans certaines conditions, cette contraction peut devenir suffisamment forte pour qu'une personne soit incapable de lâcher le conducteur.
De nombreuses recherches sur les effets du courant électrique sur le corps humain semblent montrer que les dangers ne sont pas uniquement liés à une question de résistance. La résistance du corps humain est, du reste, extrêmement variable.
C'est ainsi que des expériences effectuées avec des électrodes ont révélé, que la résistance de mains calleuses et parfaitement sèches peut atteindre une valeur de 100,000 ohms, alors que celle d'une peau mince et humide peut s'abaisser à 500 ohms.
On fixe la valeur moyenne de la résistance du corps humain à 1000 ohms. Or, certains physiologistes ont observé des cas de mort par asphyxie avec des intensités de 0.050 ampère pour du courant continu et 0.025 ampère pour du courant alternatif.
Il s'ensuit que dans certaines conditions défavorables un courant de 0.025 X 1000 = 25 volts risque de devenir dangereux.
Les conditions défavorables sont celles qui diminuent la résistance du corps : contact parfait, transpiration du sujet, sol humide, pieds dans une baignoire contenant de l'eau, etc. Il est probable que l'état physiologique du sujet représente un facteur important et peu connu.
De plus, le courant continu produit une électrolyse des tissus.
Dans ces conditions, l'électricien ne sera jamais assez circonspect. Il aura toujours présent à l'esprit qu'un choc subi, même avec du courant à basse tension, peut entraîner la mort et il se fera une règle absolue de toujours couper le courant avant d'entreprendre un travail sur un circuit.
Le danger subsiste si l'on ne touche qu'un seul fil, car le corps se comporte comme le diélectrique d'un condensateur dont les armatures sont constituées par le fil et la terre.
32. Conducteurs et isolants
La qualité des conducteurs constitue un élément important dans le bon fonctionnement et le rendement d'une installation électrique quelle qu'elle soit.
On a vu au premier chapitre ce qui détermine la classification d'un corps comme conducteur ou comme isolant. Mais il existe toute une gradation entre un excellent conducteur et un isolant parfait.
Dans la liste suivante, les corps sont classés dans l'ordre de leur conductibilité. On verra que les meilleurs conducteurs sont les métaux.
a) Excellents conducteurs : argent, cuivre, or. A cause de son prix relativement peu élevé, on utilise presque exclusivement des conducteurs en cuivre dans les installations électriques.
b) Bons conducteurs : aluminium, tungstène, zinc, laiton, platine, fer, nickel, étain, acier, plomb, mercure, nichrome (alliage nickel/chrome).
c) Conducteurs passables : charbon de bois, coke, carbone, plombagine, solutions acides, solutions salines, minerais métalliques, substances végétales vivantes, terre humide.
d) Conducteurs médiocres : tissus vivants, lin, coton, bois (secs), marbre, eau pure.
e) Isolants : huile, porcelaine, papier (sec), laine, soie, cire à cacheter, gomme-laque, ébonite, mica, verre, air (sec).
Tout conducteur oppose une certaine résistance au passage du courant. Cette résistance est proportionnelle à la longueur du conducteur et inversement proportionnelle à la surface de sa section.
Pour comparer facilement entre eux les conducteurs on a été amené à adopter des unités pratiques : le "mil carré" et le "mil circulaire".
33. Mil et mil carré
On désigne par le terme de "mil", le millième ( 1/1000 ) de pouce.
II s'ensuit que le "mil carré" (m.car.) représente la surface d'une carré de 1 mil de côté (fig. 3.12a).
Fig. 3.12 Mil carré et mil circulaire
On trouve la surface en mils carrés d'un conducteur rectangulaire en multipliant sa largeur par son épaisseur, exprimées en mils.
Application 3.01
Calculer, en mils carrés, la surface de la section d'un conducteur rectangulaire de 2" X 1/2".
Solution
2 pouces = 2.000" = 2000 mils
1/4 pouce = 0.250" = 250 mils
S = 2,000 X 250 = 500000 m. car.
34. Mils circulaires
On exprime le diamètre des fils électriques, généralement très petits, en mils et la surface de leur section en mils circulaires (m. cire).
La formule pratique de la surface d'un cercle est S = D² X 0.7854
Si le diamètre est exprimé en mils, la formule devient S = (mils)² X 0.7854
D'autre part, une section circulaire quelconque peut toujours être décomposée en un nombre déterminé de petits cercles élémentaires de diamètre égal à 1 mil. La surface d'un tel petit cercle est:
s = (1)² X 0.7854 = 1 X 0.7854 = 1 m. cire. (fig. 3.12b)
Posons
x = nombre de mils contenu dans le diamètre d'un fil, on a
x² X 0.7854 / 1 X 0.7854 = S / s = nombre de mils circulaires
Cette manière de procéder permet d'éliminer le facteur 0.7854.
Pour trouver la surface (en mils circulaires) de la section d'un conducteur, il suffit d'élever au carré son diamètre exprimé en mils.
Le résultat sera toujours un nombre entier.
Application 3.02
Calculer la section d'un conducteur de 0.030 pouce de diamètre.
Solution
0.030 po. = 30 mils S = 30² = 900 m. cire.
Remarque I
Pour les conducteurs formés de plusieurs torons, la capacité électrique est plus élevée que celle des conducteurs solides de même section. Dans ce cas, on calcule d'abord la section d'un brin, puis on multiplie le résultat par le nombre de brins augmenté de 2%.
Remarque II
Pour trouver le diamètre en pouces d'un conducteur dont la section est exprimée en mils circulaires, on extrait la racine carrée du nombre de mils circulaires et l'on transforme en fraction décimale.
Application 3.03
Exprimer en pouces le diamètre d'un conducteur d'une section de 4096 mils circulaires.
D = 4096 = 64 mils = 0.064 pouce.
Remarque III
La figure 3.12c montre que la surface d'un mil circulaire est plus petite que celle d'un mil carré.
1 mil circulaire = 1 m. car. X 0.7854 = 0.7854 m. car.
1 mil carré =1 mil circulaire / 0.7854 = 1 / 0.7854 = m. cire. = 1.2732 m. cire.
Application 3.04
1 - Exprimer en mil carrés la section d'un conducteur de 200000 mils circulaires.
S = 200,000 X 0.7854 =157080 m. car.
2 - Exprimer en mils circulaires la section d'un conducteur de 200000 mils carrés.
S = 200,000 X 1.2732 = 254640 m. cire.
QUESTIONNAIRE Les réponses ne sont pas données
1. Nommer les différentes sortes de courants.
2. Définir l'intensité du courant.
3. Expliquer pourquoi il est plus important de connaître l'intensité d'un courant plutôt que la quantité totale d'électricité.
4. Expliquer la différence entre le courant continu et le courant alternatif.
5. Comment obtient-on un courant a) par la méthode chimique;
b) par la méthode thermique;
c) par la méthode piézoélectrique;
d) par la méthode photo-électrique?
6. Indiquer les applications de chacune des méthodes précédentes.
7. Expliquer en détail les effets du courant sur le corps humain.
8. Comment calcule-t-on la section des conducteurs constitués de plusieurs torons?
9. Indiquer la relation existant entre le mil circulaire et le mil carré.
PROBLÈMES
3.01 — Quelle est la section (en mils circulaires) des fils ayant les diamètres suivants :
a) 0.064 po.
b) 0.047 po.
c) 1/4 po.
d) 0.325 po.
e) 3/32 po.
f) 5/8 po.
g) 0.2 po.
h) 1 1/8 po.
i) 2 1/2 po.
3.02 — Quelle est la section (en mils circulaires) des conducteurs comprenant les nombres de torons suivants :
a) 7 no. 9 b) 7 no. 6 c) 7 no. 4
d) 19 no. 5 e) 19 no. 8 f) 19 no. 7
g) 37 no. 10 g) 37 no. 14 i) 37 no. 12
Le diamètre des fils (en pouce) est :
No. 4 .204
No. 5 .82
No. 6 .162
No. 7 .144
No. 8 .128
No. 9 .114
No. 10 .102
No. 11 .090
No. 12 .081
No. 14 .064
3.03 — Quel est le diamètre (en pouce) des fils ayant les sections suivantes (en mils circulaires) :
a) 1,620 b) 66,560 c) 6,530
d) 26,240 e) 10,400 f) 83,890
g) 105,600 h) 167,800 i) 211,600
j) 25 k) 202
3.04 — Quelle est la section (en mils carrés) des conducteurs rectangulaires suivants :
a) .025 po. X 0.50 po. b) .063 po. X .124 po.
c) .125 po. X .175 po. d) .250 po. X -325 po.
e) .315 po. X .350 po. f) .160 po. X .240 po.
g) 1 1/2 po. X2 1/4 po. h) 1/8 po. X 5/8 po.
i) 3/4 po. X 1 7/8 po.
3.05 — Trouver en mils circulaires la section des barres du problème No. 4.
3.06 — Trouver en mils carrés la section des conducteurs du problème No. 3.
