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1 Intitulé du cours : Circuits électriques et magnétiques Chapitre 1: ETUDE DES

1 Intitulé du cours : Circuits électriques et magnétiques Chapitre 1: ETUDE DES MATERIAUX ELECTRO-TECHNIQUE (6H cours) Sous Chapitre I - Matériaux conducteurs : Introduction I.1. Propriétés physiques I.2. Différents types de conducteurs I.3. Normalisation des conducteurs I.4. Modification des caractéristiques par rapport à des phénomènes extérieurs (température…) Sous Chapitre II. Matériaux Magnétiques : Introduction II.1. Propriétés physiques II.2. Matériaux ferromagnétiques doux et matériaux ferromagnétiques durs, notions sur les pertes ferromagnétiques II.2.1) Matériaux ferromagnétiques doux II.2.2) Matériaux ferromagnétiques durs II.2.3) Notions sur les pertes ferromagnétiques II.3. Domaine d’application des matériaux magnétiques Conclusion Sous Chapitre III. Matériaux Diélectriques : III.1. Définition III.2. Propriétés physiques dans les milieux diélectriques III.2.1) Polarisation diélectrique III.2.2) Claquage des isolants : III.3) Caractérisation ou Grandeurs caractéristiques des milieux diélectriques III.3.1) rigidité diélectrique III.3.2) Permittivité diélectrique ε, ou constante diélectrique III.4) Notions sur les pertes diélectrique III.4.1) Circuit équivalent d’une isolation en courant alternatif III.4.2) Calcul de l’angle de pertes diélectriques : III.4.3) Influence de la température sur les isolants : III.5) Quelques milieux diélectriques usuels III.6 Utilisations des diélectriques 1) Utilisation comme isolateur dans une ligne HT 2) Utilisation dans les condensateurs 3) Utilisation dans des verres de lunettes 2 Introduction Générale sur les Matériaux Electrotechnique. Les machines électriques, connues depuis le siècle dernier, ainsi que l'ensemble du matériel électrique évoluent vers une plus grande compacité, grâce à l'amélioration des matériaux qui les constituent. Classification des matériaux utilisés en électricité Ces matériaux peuvent être classés en quatre groupes selon leur fonction : - les matériaux conducteurs pour véhiculer le courant électrique. - les matériaux magnétiques pour créer ou canaliser l'induction magnétique. - les matériaux isolants pour isoler les conducteurs électriques. - les matériaux semi-conducteurs pour la fabrication des composants électroniques. Le choix de ces matériaux dépend, en premier lieu de leurs propriétés électriques (résistivité, perméabilité, constante diélectrique...) et de leur coût, mais aussi de leurs propriétés physiques, chimiques et mécaniques (densité, dilatation, point de fusion, sensibilité à la corrosion, dureté, élasticité...). a) propriétés physiques : Densité ou masse volumiques (Kg/m3) : C’est la masse de l'unité de volume d'un matériau. Point de fusion : Les matériaux à l'état solide passent à l'état liquide toujours à la même température ; c'est leur point de fusion. Dilatation : Une barre chauffée s'allonge d'autant plus qu'elle est portée à une température plus élevée. On définit un coefficient de dilatation ß pour chaque matériau. 3 b) propriétés chimiques Action des acides : La plupart des métaux sont attaqués par les acides alors que les matériaux plastiques sont insensibles aux agents chimiques. Oxydation, corrosion: L'action combinée de l'oxygène de l'air, de la chaleur, de l'humidité produit une détérioration lente de la surface des métaux. c) propriétés mécaniques - La résistance à la rupture, à l'extension: C'est le quotient de la charge maximale par la section de départ. - La résistance limite élastique. - L'allongement. - La dureté (résistance à la pénétration d'un corps dans un matériau). d) propriétés électriques - Les métaux en général offrent une faible résistance au passage du courant, ce sont les matériaux bons conducteurs. - D'autres présentent une très grande résistance au passage du courant: ce sont les matériaux isolants. Résistivité : La résistance d'un conducteur de longueur l et de section A exprimée en fonction de sa résistivité ρ vaut : R = ρ.l / A Coefficient de température "α" : Lorsque la température d'un matériau varie, la résistivité ρ du matériau varie également ρt = ρ0(1+α.T) ou Les éléments principaux de ces matériaux sont : - le cuivre et l'aluminium pour les conducteurs électriques. - le fer pour les circuits magnétiques. - le silicium pour les composants d'électronique de puissance. - la silice (oxyde de silicium), le bois et les dérivés du pétrole pour les isolants électriques. Lexique de certains matériaux Fontes : fer (92 %) + 2 à 5 % de carbone + impuretés Aciers : fer (97 % min) + 0,05 à 1,5 % de C + traitements thermiques bronzes : Cu + ----10 % de Sn (étain) Laitons :Cu + == 50 % de Zinc Constantan :Cu + Ni 4 Sous Chapitre I. Matériaux conducteurs : Introduction I.1. Propriétés physiques I.2. Différents types de conducteurs I.3. Normalisation des conducteurs I.4. Modification des caractéristiques par rapport à des phénomènes extérieurs (température…) Introduction Les matériaux conducteurs les plus utilisés en électrotechnique sont le cuivre et l'aluminium. On utilise le cuivre dans la plupart des applications magnétiques pour sa faible résistivité (e.g. moteurs électriques, alternateurs, transformateurs). Dans les lignes à haute tension, on utilise l'aluminium pour son faible poids (e.g. lignes 735 kV). Dans ce sous chapitre, il sera d'abord question de la physique des matériaux conducteurs. Cette analyse permettra de décrire ce qui, au niveau de l'atome, distingue les conducteurs des isolants. Ces notions seront aussi utiles lors de l'étude des isolants électriques couverts à la section III de ce chapitre.. En second lieu, le sous chapitre I traitera les différents types de conducteurs, la normalisation de ces conducteurs et de la modification de leurs caractéristiques par rapport à des phénomènes extérieurs, par exemple la température. Ensuite, il sera question de l'application de ces conducteurs dans les dispositifs usuels de l’électrotechnique, par exemple les machines électriques et les transformateurs. Il sera alors question des classes de conducteurs, de leur isolation. Finalement, le sous chapitre I traitera des matériaux conducteurs, des aspects de base de leur physique et des applications principales. I.1. Propriétés physiques des matériaux conducteurs L'expérience nous enseigne que la plupart des métaux (cuivre, aluminium, fer. zinc, etc.) possèdent une habileté à porter un courant électrique I lorsqu'on applique un voltage V entre deux points de leur surface, tel qu'illustré à la figure 1. FigI.1 : Application d’une ddp V entre deux points de surface d’un matériau conducteur 5 Cette habileté est ce qu'on appelle la conductivité électrique des métaux et elle a d'abord été décrite par Ohm en 1826 sous la forme bien connue : V=RI où R est la résistance du conducteur en (Ω) En outre, la résistance du conducteur R dépend des dimensions du conducteur et du matériau dont il est constitué. La loi d'Ohm peut donc être aussi formulée sous la forme suivante : où ρ est la résistivité du matériau (Ω.m) l est la longueur du conducteur (m) A est la section du conducteur (m²) C'est seulement à partir du XXième siècle qu'on a pu décrire avec précision les processus atomiques qui permettaient d'expliquer et de prédire ce comportement conducteur ou isolant des matériaux. Les isolants (ou diélectriques) seront traités à la 3ième partie de ce 1er chapitre. I.1.1 Niveaux électroniques d’un atome seul La connaissance actuelle que nous avons de l'atome est qu'il est constitué d'un noyau positivement chargé et d'électrons négativement chargés qui circulent autour du noyau. Le numéro atomique Z détermine le nombre de protons (et donc de charges positives) contenus dans le noyau. En ce qui concerne les électrons, ceux-ci sont répartis autour du noyau sur des couches électroniques distinctes. La physique quantique nous a appris que chaque couche est constituée d'orbitales, qui constituent en fait une zone où la probabilité de trouver un électron est élevée. Aussi, les orbitales sont de types s (1 orbitale), p (3 orbitales), d (5 orbitales), f (7orbitales). Chacune des orbitales peut contenir 0, 1 ou 2 électrons. Le tableau I.1 résume la répartition des électrons sur les diverses couches et orbitales. Tableau I.1 : La répartition des élections sur les diverses couches et orbitales. 6 Il est important de noter que plus le numéro de la couche électronique est faible (e.g. couche 1), plus les électrons sont localisés près du noyau et plus difficile il sera d'arracher l'électron à l'attraction de son noyau. Aussi, il est important de noter que les couches électroniques et les orbitales sont remplies successivement dans l'ordre 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 4p. 4d. etc. Par exemple, l'atome de cuivre possède 29 électrons et les orbitales suivantes sont remplies, tel que l'indique le tableau suivant. Tableau I.2 : Répartition des électrons dans l’atome de cuivre Un autre exemple. On prend un atome de sodium (Na) et on suppose que cet atome de sodium est localisé à une distance suffisante de toute particule, tel qu'il ne subisse aucune interaction électromagnétique avec d'autres atomes. Les électrons sont répartis comme suit : FigI.2 : Répartition des électrons en couches sur un atome isolé 7 I.1.2 Excitation, électrons de valence et niveaux d'énergie Tel que mentionné plus tôt, les électrons localisés sur les couches internes sont situés plus près du noyau et sont donc plus fortement liés au noyau par l'attraction électrique entre le noyau et l'électron. Au contraire, les électrons situés sur la dernière couche électronique sont plus distants du noyau et plus faiblement attachés à l'atome. Les électrons de valence sont définis comme étant les électrons localisés sur la dernière couche électronique de l'atome. Ainsi, l'atome de cuivre comporte 11 électrons de valence et l'atome de sodium en possède un seul. Les électrons de valence seront en général les plus faciles à détacher de uploads/s3/ sous-chapitrei-materiaux-conducteurs.pdf