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ME DIV - 02466_A_F - Rév. 1 08/06/2005 A - COURANT CONTINU I - CHARGES ÉLECTRIQ

ME DIV - 02466_A_F - Rév. 1 08/06/2005 A - COURANT CONTINU I - CHARGES ÉLECTRIQUES ...................................................................................................... 1 1 - Électrisation d’un corps ................................................................................................................ 1 2 - Nature des charges électriques ................................................................................................... 3 3 - Unité de charge électrique ........................................................................................................... 5 II - DIFFÉRENCE DE POTENTIEL ÉLECTRIQUE......................................................................... 5 III - COURANT ÉLECTRIQUE......................................................................................................... 7 1 - Phénomènes ................................................................................................................................ 7 2 - Sens du courant électrique........................................................................................................... 9 3 - Nature du courant électrique...................................................................................................... 10 4 - Intensité du courant.................................................................................................................... 11 5 - Intensité du courant et quantité d’électricité............................................................................... 11 IV - PUISSANCE ÉLECTRIQUE - EFFET JOULE - LOI D’OHM................................................... 13 1 - Énergie et puissance.................................................................................................................. 13 2 - Effet Joule .................................................................................................................................. 13 3 - Loi d’Ohm ................................................................................................................................... 14 4 - Utilisations pratiques de ces lois................................................................................................ 14 C C 5 5 - -1 1/ /A A ÉLECTRICITÉ INDUSTRIELLE COURANTS ÉLECTRIQUES CONTINU ET ALTERNATIF Connaissance et Maîtrise des Phénomènes Physiques et Chimiques  2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training Ce document comporte 37 pages Ingénieurs en Sécurité Industrielle 02466_A_F II B - COURANT ALTERNATIF I - PHÉNOMÈNE D’INDUCTION ÉLECTROMAGNÉTIQUE....................................................... 16 1 - Champ magnétique - Champ électromagnétique ...................................................................... 16 2 - Interaction entre un champ magnétique et un courant électrique .............................................. 17 II - CRÉATION D’UNE TENSION ALTERNATIVE........................................................................ 19 III - COURANT ALTERNATIF DANS UNE RÉSISTANCE - LOI D’OHM - EXPRESSION DE LA PUISSANCE ................................................................................................................ 22 1 - Loi d’Ohm aux bornes d’une résistance..................................................................................... 22 2 - Puissance dissipée dans une résistance.................................................................................... 22 IV - COURANT ALTERNATIF DANS UN BOBINAGE................................................................... 24 1 - Évolutions du courant et de la tension........................................................................................ 24 2 - Puissance dans une self ............................................................................................................ 24 V - COURANT ALTERNATIF DANS UN CONDENSATEUR ....................................................... 25 1 - Évolution du courant et de la tension ......................................................................................... 25 2 - Puissance................................................................................................................................... 25 VI - COURANT ALTERNATIF DANS UN RÉCEPTEUR QUELCONQUE..................................... 27 1 - Évolutions de l’intensité et de la tension .................................................................................... 27 2 - Notion d’impédance ................................................................................................................... 29 VII - LE TRIPHASÉ ......................................................................................................................... 30 1 - Générateur de tensions triphasées............................................................................................ 30 2 - Tensions simples - Tensions composées .................................................................................. 31 3 - Utilité du fil neutre....................................................................................................................... 33 4 - Puissance consommée par un récepteur triphasé..................................................................... 34 C C5 5 - -1 1/ /A A  2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training 02466_A_F 1 A - COURANT CONTINU I - CHARGES ÉLECTRIQUES 1 - ÉLECTRISATION D’UN CORPS a - Expériences Un bâton d’ébonite, tenu à la main et frotté avec une fourrure ou avec un tissu de laine, de soie, de fibres synthétiques, acquiert la propriété d’attirer les corps légers sur la partie frottée (figure ci- dessous) ; on dit qu’il s’électrise par frottement. D SEC 3069 A Le bâton d’ébonite, électrisé par frottement, attire de petits morceaux de papier. On peut répéter l’expérience en frottant de la même façon un bâton de verre, une règle ou un stylo en matière plastique. Par exemple, si la poussière a tendance à adhérer sur la surface d’un disque de musique, c’est parce que le frottement de tête de lecture a électrisé la matière plastique du disque. D’autre part, une tige métallique, en cuivre ou en laiton, bien que très énergiquement frottée avec la même fourrure ou le même tissu, n’attire pas les corps légers lorsqu’elle est tenue à la main (figure ci- dessous) ; par contre, elle s’électrise sur toute la surface quand on la tient par l’intermédiaire d’un manche en ébonite, en verre ou en matière plastique. D SEC 3069 B Métal Métal Poignée en ébonite b - Interprétation On admet que les forces qui attirent ainsi de très légers objets sur les corps électrisés ont leur origine dans l’apparition, à la surface de ces corps, de petites quantités d’électricité, encore appelées des charges électriques. Dans les corps tels que l’ébonite, le verre, les matières plastiques, ces charges électriques ne peuvent pas se déplacer (ou ne se déplacent que très difficilement), on dit que ces corps sont des isolants (ou de mauvais conducteurs de l’électricité). C C5 5 - -1 1/ /A A  2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training 02466_A_F 2 Par contre, un métal comme le cuivre ou l’aluminium, ou encore un alliage métallique comme le laiton, les charges électriques se déplacent facilement ; on dit que ces corps sont de bons conducteurs de l’électricité ou, plus brièvement, des conducteurs. Tous les autres corps sont plus ou moins conducteurs ou plus ou moins isolants. Le corps humain, par exemple, est légèrement conducteur, c’est pourquoi un homme ressent le passage d’un courant électrique. c - Les deux espèces d’électricité En a, après avoir électrisé par frottement les extrémités E et E’ de deux bâtons d’ébonite, plaçons l’un de ces bâtons sur un étrier léger suspendu à un fil fin. Approchons de l’extrémité électrisée E du bâton suspendu, l’extrémité électrisée E’ de l’autre bâton : nous constatons qu’elles se repoussent. En b, remplaçons sur l’étrier le bâton d’ébonite par un bâton de verre dont la partie V a été électrisée par frottement avec du drap, puis approchons de V l’extrémité E’ du bâton d’ébonite tenu à la main : nous observons cette fois une attraction. Enfin en c, si nous approchons de V la partie électrisée V’ d’un autre bâton de verre tenu à la main, nous observons de nouveau une répulsion. Ébonite Ébonite Ébonite Verre Verre a b c E E' E' V' V V D SEC 3070 A Ces expériences conduisent aux conclusions suivantes : - les charges électriques apparaissant sur le verre et sur l’ébonite sont d’espèces différentes Par pure convention, il a été décidé d’appeler électricité positive celle qui apparaît sur le verre, et électricité négative celle qui apparaît sur l’ébonite. - deux corps chargés d’électricité de la même espèce se repoussent. Deux corps chargés d’électricité d’espèces différentes s’attirent Il est à noter que l’électrisation d’un corps peut se faire de plusieurs façons : - par frottement comme il vient d’être vu - par contact entre un corps électrisé et un autre. Après séparation des deux corps, le second se retrouve électrisé par de l’électricité de même espèce que la première - par influence en approchant, sans le toucher, un corps électrisé d’un second corps, celui-ci se charge d’électricité d’espèce opposée à la première C C5 5 - -1 1/ /A A  2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training 02466_A_F 3 2 - NATURE DES CHARGES ÉLECTRIQUES La nature de l’électricité est à rechercher dans la constitution de la matière. Tous les corps sont formés par des assemblages d’atomes, particules extrêmement petites qui se comptent par milliers de milliards dans la moindre parcelle de matière. Chaque atome est constitué par un noyau, chargé d’électricité positive, autour duquel gravite un nombre variable d’infimes granules d’électricité négative que l’on appelle des électrons. Dans toutes les opérations ordinaires de la physique et de la chimie, les noyaux des atomes demeurent inaltérés, ils conservent donc intégralement leur charge électrique positive. Par contre, sous diverses influences, l’atome peut céder ou, au contraire, fixer un ou plusieurs électrons. À l’état normal, un atome est électriquement neutre parce que la charge négative que représente l’ensemble de ses électrons est égale en valeur absolue à la charge positive de son noyau. Si on enlève des électrons à un corps, la charge positive globale des noyaux de tous ses atomes n’est plus exactement neutralisée par la charge négative globale des électrons restants et le corps s’électrise positivement. Il s’électrise au contraire négativement si on lui apporte un supplément d’électrons. Ainsi, toute électrisation apparaît comme un transfert d’électrons : - une charge négative est un excès d’électrons - une charge positive est un défaut d’électrons a - Conducteurs métalliques Les métaux et leurs alliages sont constitués par un enchevêtrement de petits cristaux dans lesquels les atomes sont ordonnés géométriquement dans un réseau cristallin. Ces atomes métalliques perdent facilement un ou plusieurs électrons périphériques, qui demeurent à l’intérieur du réseau et y circulent en tous sens de façon désordonnée ; on les appelle les électrons libres du métal. Cette possibilité, pour des électrons, de se déplacer facilement dans les espaces vides qui séparent les atomes d’un métal, explique l’impossibilité d’électriser une tige métallique que l’on tient à la main. Si le frottement fait passer un excédent d’électrons sur une partie de la tige, ils se dispersent aussitôt dans le sol, par l’intermédiaire de la tige et du corps de l’expérimentateur. C C5 5 - -1 1/ /A A  2005 ENSPM Formation Industrie - IFP Training 02466_A_F 4 Exemple : l’atome de cuivre contient 29 électrons dont un, le plus éloigné du noyau, est un électron libre, quand les atomes sont assemblés en cristaux. Électron libre D SEC 3071 A Les conducteurs n’ont pas tous le même nombre d’électrons libres. L’aluminium est un conducteur possédant 3 électrons libres par atomes. b - Isolants Considérons par exemple l’électrisation d’un bâton d’ébonite que l’on frotte avec un tissu de soie ; des électrons, arrachés aux tissu par le frottement, passent sur le bâton ; de ce fait, l’ébonite s’électrise négativement pendant que la soie s’électrise positivement, les charges qui apparaissent uploads/Industriel/ c-courants-electriques-continu-et-alternatif.pdf