Qu'est-ce que l'électricité ?
Mes premiers pas en Électronique
Appuyez sur un bouton d'un lecteur de musique et une chanson sort soudainement des enceintes. Appuyez sur un bouton de la télécommande d'un téléviseur et vos émissions préférées prennent vie instantanément. Ces merveilles se produisent grâce à la magie de l'électricité, une énergie qui alimente toute la technologie de votre maison.
À la fin de cette section Mes premiers pas en Électronique, vous serez un génie de l'électronique et pourrez alors utiliser vos pouvoirs pour construire toutes les inventions imaginables !
Cette section vous apprend à comprendre l'électricité et à l'utiliser pour créer des objets incroyables.
Dans ce chapitre, nous explorerons son fonctionnement, puis vous réaliserez un projet électronique complet : une alarme anti-intrusion qui vous avertit en cas d'intrusion dans une pièce.
Une fois que vous maîtriserez l'électricité, vous pourrez construire toutes sortes d'objets amusants, comme un instrument de musique ou un jeu lumineux pour jouer avec vos amis. D'ailleurs, vous les construirez dans une autresection.
Projet n° 1 : Allumer une lumière !
Lorsque vous actionnez l'interrupteur d'une pièce, l'ampoule s'allume immédiatement. Voyons comment l'électricité fait briller cette ampoule, en commençant par une petite expérience.
Liste de courses (voir : Fournitures utiles)
Pour ce projet, vous aurez besoin des éléments suivants :
Une pile standard de 9 V pour alimenter le circuit.
Une petite ampoule à incandescence de 9 à 12 V (ou une ampoule similaire disponible en quincaillerie).
Étape 1 : Inspecter l’ampoule
Observez attentivement votre ampoule ; vous devriez voir un fin filament métallique à l'intérieur du verre. Une extrémité de ce filament est connectée au côté métallique du culot, et l'autre extrémité est connectée au contact métallique situé en dessous.
Placez votre pile 9 V à la verticale sur une table.
Prenez l'ampoule et placez-la délicatement de manière à ce que la pointe inférieure touche une borne de la pile et que la face métallique touche l'autre. Lorsque la pointe et la face touchent la pile, l'ampoule devrait s'allumer.
Félicitations : vous venez de produire de la lumière grâce à l'électricité !
L'ampoule s'allume car, lorsque vous la touchez aux contacts de la pile, l'électricité traverse le filament à l'intérieur. Le filament chauffe alors et commence à briller, créant ainsi de la lumière.
Comment l'électricité allume-t-elle une ampoule ?
Mais comment l'électricité fait-elle chauffer le fil et pourquoi la lumière s'allume-t-elle instantanément ?
Quatre concepts se combinent pour expliquer ce phénomène :
Électrons, Courant, Tension, Résistance
Ces concepts fondamentaux de l'électricité sont interdépendants et nous les explorerons dans cette section.
Qu'est-ce qu'un électron ?
Tout ce que vous voyez autour de vous est composé d'atomes, des particules si petites qu'elles sont invisibles sans un microscope spécial.
Mais les atomes sont constitués de particules encore plus petites, appelées protons, neutrons et électrons.
Remarque : Les illustrations sont en anglais.
Les protons et les neutrons forment le noyau d'un atome (son centre), et les électrons gravitent autour de lui comme des planètes autour du Soleil.
Les protons et les électrons sont tous deux chargés électriquement :
les protons ont une charge positive et les électrons une charge négative.
C'est pourquoi les électrons se fixent à un atome. Les charges positive et négative agissent comme les faces opposées d'un aimant et s'attirent.
Certains matériaux sont conducteurs, ce qui signifie que si vous leur appliquez de l'énergie (comme l'énergie stockée dans une batterie), les électrons se déplacent d'un atome à l'autre !
Le filament de votre ampoule est composé d'un métal conducteur, ce qui signifie qu'il est rempli d'électrons qui n'attendent qu'une poussée pour les déplacer.
La tension pousse les électrons
Lorsque vous connectez une pile à une ampoule, vous appliquez une tension aux bornes du filament. La tension pousse les électrons à travers le fil et se mesure en volts (V).
Plus la tension est élevée, plus le nombre d'électrons qui traversent le fil est élevé.
Imaginez un fil comme un tube rempli de billes : lorsque vous insérez une bille d'un côté, une bille sort de l'autre côté exactement au même moment, sans délai.
Plus on enfonce de billes d'un côté, plus elles ressortent de l'autre. C'est ainsi que les électrons se comportent à l'intérieur d'un fil lorsqu'on leur applique une tension.
Circulation du courant
Le courant est la quantité d'électrons circulant dans un fil.
Il se mesure en ampères (A), généralement abrégés en ampères.
Vous avez peut-être déjà entendu parler du courant pour décrire une rivière, par exemple :
« Cette rivière a un fort courant.»
Cela signifie qu'il y a beaucoup d'eau qui coule.
Le courant électrique est similaire : un fort courant signifie que beaucoup d'électrons circulent dans un fil. Lorsque la tension d'un circuit augmente, le courant augmente également.
Tout comme l'eau descend sous l'effet de la gravité, le courant électrique circule de la borne positive vers la borne négative d'une batterie.
En réalité, les électrons circulent dans le sens inverse, du côté négatif de la batterie vers le côté positif.
L'électron est une particule négative, mais dans certains matériaux, le courant est constitué de particules positives, qui circulent en sens inverse. Ainsi, à l'échelle atomique, les particules peuvent circuler dans les deux sens.
Mais lorsqu'on parle de courant électrique, on dit qu'il circule du positif (+) vers le négatif (–).
La résistance réduit le courant
La tension pousse les électrons à former un courant, tandis que la résistance limite ce courant.
C'est comme jouer avec un tuyau d'arrosage : si vous serrez le tuyau, vous augmentez la résistance au débit d'eau, ce qui réduit le débit.
Mais si vous ouvrez davantage le robinet (comme si vous augmentiez la tension), la pression augmente et davantage d'eau coule, même si vous continuez à serrer le tuyau de la même manière.
La résistance en électricité fonctionne de la même manière et se mesure en ohms (Ω).
Maintenant que vous connaissez les électrons, le courant, la tension et la résistance, je vais vous expliquer comment ils interagissent pour allumer votre ampoule.
Allumer l'ampoule
Les deux extrémités du filament de votre ampoule sont connectées à l'extérieur :
une extrémité est connectée à la face métallique du culot, et l'autre extrémité est connectée au contact métallique situé en dessous.
En connectant une pile à l'ampoule, vous créez ce qu'on appelle un circuit.
Un circuit est simplement un chemin fermé qui permet au courant de circuler de la borne positive de votre source de tension à la borne négative.
La tension de la pile pousse les électrons à travers le circuit, y compris le filament de votre ampoule. Le filament possède une résistance et limite le courant dans le circuit.
Lorsque les électrons peinent à traverser la résistance du filament, celui-ci devient si chaud qu'il commence à briller et à produire de la lumière.
Pour que la pile puisse pousser les électrons, une boucle fermée doit exister entre la borne positive et la borne négative.
L'électricité a toujours besoin d'un circuit fermé pour fonctionner. Si vous débranchez ne serait-ce qu'un seul côté, l'ampoule s'éteint immédiatement !
Circuit Ouvert (OFF) |
Circuit Fermé (ON) |
Examinons les circuits plus en détail.
En quoi un circuit est-il similaire à un système de canalisations ?
Continuons à réfléchir à l'électricité en la comparant à l'eau. Imaginez un système de canalisations en boucle avec une pompe, et imaginez que le tuyau soit toujours entièrement rempli d'eau. À un moment donné, le tuyau est plus étroit.
La pompe est comme une batterie qui alimente un circuit.
La partie étroite du tuyau réduit le débit d'eau. Ce tuyau étroit constitue la résistance. La quantité d'eau qui circule dans les tuyaux constitue le courant.
Imaginez maintenant que vous puissiez insérer un appareil de mesure quelque part dans le réseau de canalisations, indiquant la quantité d'eau qui y circule par seconde.
Notez que je ne parle ici que de la quantité d'eau qui circule en un point choisi au hasard dans les canalisations, et non de la quantité totale d'eau.
C'est ainsi que nous parlerons
du courant dans un circuit électrique : il s'agit de la quantité d'électrons qui
passent par un point précis par seconde.
Découvrez l'interrupteur
(switches)
Lorsque vous regardez autour de vous, vous voyez probablement des interrupteurs partout. Vous les utilisez constamment pour allumer et éteindre les lumières !
Lorsqu'une lumière est allumée dans une pièce, elle doit faire partie d'une boucle fermée, car l'ampoule est traversée par du courant.
Mais que se passe-t-il lorsque vous éteignez l'interrupteur ?
Éteindre revient à déconnecter un fil de la boucle : cela coupe le courant et éteint la lumière, tout comme le circuit déconnecté que nous avons vu précédemment.
Quels autres interrupteurs pouvez-vous trouver autour de vous ?
Vous pourriez trouver un interrupteur pour allumer et éteindre un ordinateur, un interrupteur pour sonner à la porte, un interrupteur pour vérifier si la porte d'un réfrigérateur est ouverte, et bien d'autres.
Les interrupteurs contrôlent l'électricité et ce sont des appareils très simples.
Ils connectent deux fils pour fermer une boucle ou en déconnectent deux pour l'ouvrir. À l'intérieur, un interrupteur n'est que des pièces métalliques qui se connectent ou se déconnectent.
Quand l'interrupteur est ouvert, la lumière s'éteint. Quand l'interrupteur est fermé, la lumière s'allume !
C'est très simple, mais très utile. Avec ces connaissances, vous pouvez créer des circuits astucieux, et c'est ce que nous allons faire maintenant.
Projet n° 2 : Alarme anti-intrusion
Dans cette section, nous avons appris que l'électricité nécessite un circuit fermé pour fonctionner, et nous avons vu comment fonctionne un interrupteur. Construisons un circuit avec un interrupteur !
On peut fabriquer un interrupteur avec de nombreux éléments, même une porte. Dans ce projet, vous allez transformer une porte en un interrupteur géant et l'utiliser pour construire une alarme anti-intrusion qui vous avertit lorsqu'une personne tente d'entrer dans la pièce.
Pour créer l'alarme, nous allons fixer des fils et du papier aluminium à votre porte. Ainsi, lorsque la porte est fermée, le circuit est ouvert et rien ne se passe. Mais lorsque la porte s'ouvre, la boucle se ferme et un buzzer retentit, déclenchant une alerte rouge.
Nous allons suspendre un fil dénudé au-dessus de la porte, placer une bande de papier aluminium dessus et connecter chaque élément à un côté différent du circuit.
Ensuite, lorsque la porte s'ouvre, le fil dénudé touche le papier aluminium et ferme la boucle, déclenchant ainsi le buzzer.
Liste de courses
1. Un buzzer piézoélectriques actifs qui émet un bip.
Les buzzers existent en versions passive et active.
Les buzzers passifs nécessitent une entrée audiofréquence, tandis que les buzzers actifs n'ont besoin que d'une tension.
Pour ce projet, vous avez besoin d'un buzzer actif fonctionnant en 9 V.
2. Une pile 9 V standard pour alimenter le circuit.
3. Une pince pour pile 9 V pour connecter la pile au circuit.
4. De la feuille d'aluminium.
5. Du fil dénudé, comme des fils électriques souples, une vieille corde de guitare en acier ou un matériau similaire.
6. Du ruban adhésif pour fixer le tout. Vous pouvez utiliser du ruban de masquage, du ruban isolant ou tout autre matériau de votre choix.
Outils
Un coupe-fil pour couper ou retirer l'isolant du fil.
Une paire de ciseaux (facultatif) est utile pour couper proprement la feuille d'aluminium.
Voir : Fournitures utiles
Astuce : pour dénuder les fils encore plus facilement, vous pouvez acheter une pince à dénuder, dont la fente vous évite de couper le fil par accident.
Étape 1 : Le buzzer émet-il un bip ?
Testez d’abord le buzzer pour vérifier qu’il émet un bip.
Branchez le fil rouge du buzzer sur la borne positive de votre batterie (marquée +) et le fil noir sur la borne négative de votre batterie (marquée –).
Le buzzer devrait maintenant émettre un bourdonnement ou un bip fort et clair. Si vous débranchez l'un des fils de la batterie, le buzzer devrait cesser d'émettre, car le circuit ne sera plus en boucle fermée.
REMARQUE : Si votre buzzer n'a émis qu'un clic ou aucun son, il se peut que vous ayez un buzzer passif. Un buzzer passif ne peut pas produire de son par lui-même ; vous aurez donc besoin d'un buzzer actif pour ce projet.
Étape 2 : Préparation de l'aluminium
À l'aide de ciseaux, découpez une grande bande de papier aluminium brillant à placer sur le dessus de la porte. Découpez un morceau droit d'environ 2,5 cm de large et aussi long que le rouleau.
Étape 3 : Filmez votre porte
Fixez la bande de papier aluminium sur le dessus de la porte en utilisant un morceau de ruban adhésif de chaque côté. Le papier aluminium servira de contact pour la batterie et le fil du buzzer.
Étape 4 : Préparer un fil de déclenchement
Prenez un morceau de fil souple dénudé d'environ 25 cm de long.
Un fil dénudé est un fil non entouré de plastique, contrairement au fil isolé, qui est en métal enveloppé de plastique.
Trouvez simplement un fil déjà dénudé, comme une corde de guitare en acier, ou utilisez une pince coupante pour couper un morceau de la bobine de la liste de courses. Ce sera votre fil de déclenchement.
REMARQUE : Vous pouvez également utiliser une pince coupante pour retirer le plastique des fils isolés. Pour cela, demandez de l'aide à un adulte !
Étape 5 : Connecter le buzzer et le fil de déclenchement
Connectez une extrémité du fil de déclenchement dénudé à l'extrémité métallique dénudée du fil noir de la clip de la de batterie avec du ruban adhésif.
Connecter deux fils est facile.
Voici comment procéder :
prenez les deux fils à connecter et torsadez leurs extrémités ensemble. Assurez-vous que les deux morceaux de métal se touchent !
Enroulez-les ensuite ensemble dans le ruban adhésif.
En suivant la même procédure, connectez le fil rouge de la clip de la batterie au fil rouge de votre buzzer.
Étape 6 : Montage du buzzer et du fil de déclenchement
Placez maintenant le fil de
déclenchement et le buzzer au-dessus de la porte.
Tout d'abord, fixez le
fil de déclenchement sur le cadre de la porte, au-dessus de celle-ci, de manière
à ce qu'il pende devant la porte lorsqu'elle est fermée et qu'il repose sur la
porte et la bande d'aluminium lorsqu'elle est ouverte.
Ensuite, fixez le buzzer au cadre de la porte de manière à ce que le fil noir touche la feuille d'aluminium sur le dessus de la porte. Fixez ensuite le fil noir sur la feuille d'aluminium de manière à ce que la partie exposée du fil touche celle-ci.
Étape 7 : Ajouter une source d’alimentation
Placez la batterie sur le cadre de la porte, près de son clip. Utilisez du ruban adhésif pour la maintenir en place si nécessaire. Connectez ensuite le clip à la batterie.
Une fois la batterie connectée, votre alarme anti-intrusion devrait ressembler à ceci :
Étape 8 : Lancez une alerte anti-intrusion !
Testez l’alarme en ouvrant et en fermant la porte. À l’ouverture, le fil dénudé devrait toucher le film aluminium, déclenchant une alarme sonore. Pour un test plus réaliste, demandez à quelqu’un d’autre d’ouvrir la porte !
Étape 9 : Que faire si l’alarme anti-intrusion ne fonctionne pas ?
Si le buzzer ne se déclenche pas, vous devrez peut-être ajuster légèrement la position du fil de déclenchement afin de vous assurer qu’il touche la feuille d’aluminium à l’ouverture de la porte.
Si le fil de déclenchement touche bien le film aluminium, essayez une autre pile.
Si cela ne fonctionne pas, vous devrez peut-être recoller les fils de la pile.
Et maintenant ?
Vous connaissez maintenant les bases de l'électricité : un courant d'électrons circule dans des fils et provoque un phénomène, comme allumer une ampoule ou déclencher une alarme.
Vous savez aussi que pour faire circuler les électrons dans le circuit, il faut une source de tension, comme une pile, et une boucle fermée. C'est tout ce dont vous avez besoin pour commencer à bricoler avec l'électronique !
Que pouvez-vous imaginer d'autre avec ce que vous avez appris ?
Il existe de nombreux autres objets qui peuvent être transformés en interrupteurs.
Par exemple, essayez de fabriquer une alarme pour votre placard afin d'éloigner vos proches ou vos amis curieux de vos affaires personnelles.
Et pourquoi ne pas fabriquer une alarme silencieuse ? Il suffit de remplacer le buzzer par une ampoule !
Dans les deux prochaines section nous verrons comment l'électricité est produite et comment l'utiliser pour faire bouger les choses.
En attendant vous pouvez refaire le Projet n° 2 : Alarme anti-intrusion, mais au lieu d'utiliser du papier d'aluminium, utilisez un interrupteur magnétique (magnetic switch)...
