Comprendre ce que sont les volts, les ampères, la puissance du courant électrique.

NOTIONS INDISPENSABLES

Nous trouvons couramment en électricité:

les volts, les ampères, la puissance.

1°- les volts

symbolisés par la lettre V ou U, expriment la tension en VOLTS . Exemple: une tension de 220 volts.

2°- les ampères

symbolisés par la lettre I, expriment l'intensité du courant en AMPERES: exemple, un courant de 2 ampères.

3°- la puissance

symbolisée par la lettre P exprime la puissance en WATTS des appareils électriques: exemple, une ampoule de 100 watts.

Etablissons une comparaison avec un barrage hydro-électrique.

Supposons un barrage-réservoir au sommet d'une colline, une conduite d'eau branchée sur ce barrage et qui descend dans la vallée. Cent mètres plus bas, il y a une turbine hydraulique qui reçoit l'eau du barrage à travers la conduite. La turbine entraîne un genre de machine, appelé alternateur.

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Cet alternateur a la particularité de produire de l'électricité, et cette électricité sert à alimenter d'autres installations électriques tels que moteurs, usines, lampadaires, téléviseurs, etc...

A l'aide du dessin (fig ), nous allons comprendre ce que sont les Volts V, ce qu'est l'intensité du courant I en Ampères, et ce qu'est en définitive la puissance P en Watts.

a) Il est aisé de comprendre que plus le barrage sera placé haut et plus vite tournera la turbine. Nous avons dit qu'il y avait une différence de hauteur de 100 mètres entre le barrage et la turbine. Pour nous, nous admettrons que cette différence de hauteur sera comparable à la différence de potentiel de 100 Volts.

b) Supposons branchée sur la conduite une vanne (une vanne, en fait, est un gros robinet). Il est aisé de comprendre que, suivant que l'on ouvre plus ou moins la vanne, le débit de l'eau qui arrive à la turbine est plus ou moins important. Nous admettrons que le débit de l'eau est comparable à la notion de débit ou d'intensité du courant électrique qui pour nous est représenté par les Ampères.

Pour la commodité, admettons que notre conduite laisse passer à travers notre vanne un débit de 20 litres/seconde, ce qui pour nous correspond à 20 Ampères.

c) Nous constatons que deux éléments font tourner plus vite la turbine, et donc l'alternateur.

1° La différence de hauteur entre la turbine et le barrage, c'est-à-dire la différence de potentiel ou de tension (pour nous les Volts V ).

2° Le débit de l'eau qui traverse la conduite et par là la turbine, c'est-à-dire l'intensité du courant que nous appelons Ampères I .

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Ceci étant bien admis, on comprend intuitivement que la puissance reçue à la turbine et à l'alternateur est égale aux Volts multipliés par les Ampères, ce qui nous amène tout naturellement à la formule de la puissance en Watts.

Puissance en Watts = V Volts x I Intensité en Ampères

Vous pouvez d'ailleurs aussi bien l'écrire de la manière suivante:

V (Volts) x I (Ampères) = (Puissance en Watts)

De la formule de la puissance, on peut tirer plusieurs autres formules:

P = V VOLTS x I INTENSITE

ou V VOLTS x I INTENSITE = P PUISSANCE

ou P PUISSANCE divisé par V VOLTS = I INTENSITE

ou I INTENSITE = P PUISSANCE divisé par V VOLTS.

Ceci permet de connaître le courant I lorsque l'on a la Puissance et les Volts.

Ceci permet de connaître les Volts V lorsque l'on a la Puissance et le courant I.

d) Reprenons notre exemple hydraulique: la puissance fournie à l'alternateur est donc:

100 Volts x 20 Ampères = 2000 Watts

Si notre barrage est situé deux fois plus haut, la différence de hauteur sera de 200 mètres, donc pour nous de 200 Volts. La puissance devient donc

200 Volts x 20 Ampères = 4000 Watts

Supposons maintenant que la différence de hauteur soit toujours de 100 Volts mais que nous fassions passer un débit d'eau deux fois plus important dans la conduite, c'est-à-dire pour nous 40 Ampères, la Puissance deviendra donc

100 Volts x 40 Ampères = 4000 Watts

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On constate donc que l'on obtient le même résultat soit en doublant la hauteur, soit en augmentant le débit dans la conduite de 2 fois. Ceci est très intéressant à noter.

Supposons maintenant que la différence de hauteur soit doublée et que le débit de l'eau dans la conduite soit lui aussi doublé, la Puissance devient:

200 Volts x 40 Ampères = 8000 Watts

Nota: Il est intéressant de noter que lorsque l'on double les Volts et en même temps si on double les Ampères, la puissance résultante est multipliée par 4.

LE COURANT CONTINU

Il y a quelque 100 ans, on ne connaissait pratiquement que le courant continu, qui se caractérisait par le fait qu'il y avait 2 fils: un fil plus, positif, et un fil moins, négatif. L'EDF a pratiquement supprimé ce courant car il pose des problèmes importants pour son transport sur de grandes distances. Par contre, il reste employé dans les voitures automobiles, car il est facile de le stocker dans des accumulateurs (ce qui est impossible avec le courant alternatif). Il reste aussi parfait pour l'alimentation des postes radio, des lampes électriques portables, des appareils de surdité, etc... Les piles classiques sont en effet des sources de courant continu faciles d'emploi.

Analogie Hydraulique

Supposons un tuyau de caoutchouc relativement mince, branché sur une conduite d'eau, le robinet T étant ouvert, l'eau s'écoulera librement et uniformément, à la sortie nous aurons parfaitement l'analogie d'un courant continu.

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NB: à noter dès maintenant que les transformateurs électriques dont nous parlerons plus loin, ne peuvent, en aucun cas, changer la tension (les Volts) d'un courant continu. Ceci explique en grande partie la disparition du courant continu au profit du courant alternatif.

Pour ceux qui veulent aller plus loin, nous allons faire apparaître la notion de résistance.

En général à tout mouvement s'oppose une résistance.

A bicyclette, l'air, le vent, la qualité de la route gênent plus ou moins votre avancée.

Il en est de même en électricité où la matière, la grosseur, la longueur des fils électriques gênent plus ou moins le passage du courant. Cela se traduit par des pertes qui peuvent être très faibles si les conducteurs sont bien calculés.

ANALOGIES HYDRAULIQUES

Première approche:

1) Considérons notre fil électrique comme un

petit ruisseau dans lequel nous mettons quelques poissons. Peu gênés, ils se déplaceront facilement.

2) Rajoutons 10 à 20 fois plus de poissons. Très gênés, ils se déplaceront difficilement, et en se frottant les uns aux autres, ils s'échaufferont.

3) Imaginons nos poissons se déplaçant sur plusieurs dizaines de kilomètres: incontestablement un certain nombre d'entre eux seront gênés par la longueur du trajet et la grande quantité de poissons. Au bout du compte, un certain nombre d'entre eux n'arriveront pas au bout du voyage.

En résumé, le passage du courant électrique dans un fil conducteur est d'autant plus facile que le fil est gros, que les ampères sont peu nombreux et que la longueur du fil est courte.

Deuxième approche:

Admettons que nous fassions passer un débit de liquide de 10 litres par minute dans 2 conduites, une petite et une grosse. Pour mieux comprendre, admettons que la petite conduite soit de la dimension d'un crayon, on comprend aisément que les 10 litres de liquide par minute auront du mal à passer dans un si petit tuyau.

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Par contre en supposant que nous fassions passer les mêmes 10 litres/minute dans un tuyau gros comme le poignet, on comprend facilement que les 10 litres passeront beaucoup plus facilement que dans le petit tuyau.

Nous dirons alors que le petit tuyau offre une résistance beaucoup plus grande au passage de l'eau que la grosse conduite. Il en est de même en électricité ou un petit fil oppose plus de résistance au passage du courant électrique qu'un gros fil. La résistance électrique est exprimée en OHMS.

Il existe une loi, appelée loi d'Ohm, du nom de son inventeur, qui s'écrit:

V en Volts = R en Ohm x I en Ampères

qui peut aussi s'écrire:

R en Ohm = V en Volts divisé par I en Ampères

qui peut également s'écrire:

I en Ampères = V en Volts divisé par R en Ohm

NB: En pratique pour les fils électriques à l'air libre, on peut admettre de faire passer 5 ampères par mmà de section de fil, dans un conducteur enfermé sans ventilation, 2,5 ampères sont suffisants.

Calcul de la section en mmà d'un fil de grosseur 2 mm de diamètre:

section = rayon x rayon x 3,14

= 1 x 1 x 3,14

soit 3,14 mmÃ

COURANT ALTERNATIF

Reprenons le montage précédent, avec le tuyau en caoutchouc (figure ), et adoptons une pince suivant le dessin. Que se passe-t-il si nous ouvrons le robinet T ? Le tuyau étant souple, l'eau par la pression va déformer ce dernier, qui prendra la forme telle que dessinée ci-dessous (figure ).

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Fermons alors le robinet T, et en même temps enlevons la pince. L'eau va s'écouler, et le tuyau reprendra sa forme primitive. Si nous opérons ce processus 50 fois par seconde, nous aurons créé un courant alternatif, et le tuyau va constamment se gonfler et se dégonfler. Etant donné la vitesse rapide de 50 cycles par seconde, l'eau qui s'écoulera en définitive à la sortie du tuyau nous donnera l'impression de couler uniformément, comme un courant continu.

En vérité, un courant alternatif tel que celui utilisé tous les jours est représenté suivant la figure ( ). Le courant commence à 0, augmente au maximum jusqu'en M, redescend à 0, repasse à un autre maximum en M' puis revient à 0, et cela 50 fois dans une seconde. La vitesse en est tellement rapide que lorsque vous regardez une lampe d'éclairage alimentée par un courant alternatif, vous ne constatez aucune variation de lumière, et pourtant cette lampe s'allume et s'éteint 50 fois par seconde.

Pourquoi se compliquer la vie en fabriquant un courant alternatif? Tout d'abord parce que l'on peut très facilement à l'aide de transformateurs qui ont un excellent rendement, en augmenter ou en diminuer la tension, les volts. Ceci est particulièrement intéressant quand on veut transporter l'électricité sur de grandes distances.

Un autre avantage, et non des moindres, consiste dans le fait qu'avec du courant alternatif triphasé, on peut faire tourner des moteurs électriques d'une manière très simple.

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COURANT ALTERNATIF MONOPHASE ET TRIPHASE

Il existe deux grandes familles de courant alternatif:

a) Le monophasé, c'est-à-dire le courant habituel domestique, il est distribué avec seulement deux fils sous les tensions usuelles de 127 Volts et de 220 Volts.

b) Le triphasé, c'est le courant industriel par excellence. Il est distribué en général avec trois fils et souvent avec un quatrième que l'on appelle en général le neutre N.

COURANT MONOPHASE

En monophasé, on appelle pratiquement les deux fils:

- l'un, le fil de phase Ph,

-l'autre, le fil neutre N.

COURANT TRIPHASE

En triphasé, on trouve le fil de phase Ph 1, le fil de phase Ph 2, le fil de phase Ph 3, le fil neutre N. Entre chaque fil de phase, il y a toujours la même tension, par exemple: 380 Volts entre Ph2 et Ph3 et 380 entre Ph1 et Ph3. Par construction, il y a toujours 1,732 fois moins de tension entre l'une des phases Ph et le neutre N.

Dans le cas du dessin, il y a donc:

220 Volts entre Phase Ph1 et neutre N

220 Volts entre Phase Ph2 et neutre N

220 Volts entre Phase Ph3 et neutre N

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Si notre réseau triphasé était de 220 Volts, nous aurions entre les différentes Phases Ph et le neutre N:

220 divisé par 1,732 = 127 Volts.

Ceci explique pourquoi les tensions 127, 220 et 380 ne sont pas dues au hasard.

Pour ceux qui veulent aller plus loin, que devient la formule de la puissance en courant alternatif monophasé? Elle reste:

P = V x I

à condition toutefois que l'appareil dont vous mesurez la puissance soit une résistance.

C'est le cas pour un radiateur, un four électrique, une lampe, un fer à repasser. Par contre, si votre appareil est un moteur ou un poste de soudure à l'arc, la formule doit subir des corrections. Sachez toutefois qu'avec l'aide de condensateurs, on peut en général corriger le défaut et, dans ce cas, la formule en courant continu redevient valable.

Que devient la formule de la puissance en alternatif triphasé ? Elle devient:

P = V x I x 1,732

V étant les volts entre fils de phases.

A condition toutefois que l'appareil dont vous mesurez la puissance soit une résistance (voir plus haut).

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BRANCHEMENT D'UN VOLTMETRE

Comme leur nom l'indique, ces appareils sont construits pour mesurer les Volts, et possèdent en général plusieurs échelles de mesure. Par exemple 500 Volts, 300 Volts, 150 Volts, 15 Volts... Lorsqu'on effectue une mesure, on commence toujours sur le calibre de tension le plus élevé pour avoir plus de précision dans la lecture.

Pour mesurer les Volts, c'est-à-dire la différence de tension, il n'y a aucun fil à débrancher ou à couper: il faut simplement brancher les fils du voltmètre à l'endroit où vous désirez connaître les Volts. Par contre, attention: bien choisir les échelles, continu ou alternatif, car les appareils employés en radio ont des échelles différentes pour le continu et l'alternatif.

BRANCHEMENT D'UN AMPEREMETRE

Reprenons notre analogie hydraulique. Nous voulons mesurer le débit d'eau qui passe dans la conduite, il faut donc y intercaler un appareil qui sera obligatoirement traversé par le débit de l'eau à mesurer. Il en est de même en électricité quand on veut mesurer les ampères, il faut absolument que le courant traverse l'appareil de mesure qui, dans notre cas, s'appelle un ampèremètre.

Pour mesurer les ampères, il faut obligatoirement ouvrir le circuit électrique pour y intercaler les deux fils de l'ampèremètre.

Exemple: Mesure des ampères dans un fer à repasser. Il faut théoriquement couper un des fils arrivant de la prise de courant et allant au fer à repasser pour y intercaler dans le circuit un ampèremètre ( figure du haut ). Dans la pratique, bien entendu, on débranche seulement un des fils et on effectue le branchement comme ci-contre, ce qui revient au même.

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LES TRANSFORMATEURS

Les transformateurs sont des appareils entièrement statistiques qui ne peuvent fonctionner que sur le courant alternatif. Il existe des transformateurs monophasés et triphasés.

Leur rôle, avec un très bon rendement, est essentiellement de changer la tension. Exemple: vous êtes en ville alimentés en 220 Volts (à l'étranger, en 110 volts). Vous devez donc avoir un transformateur 110-220 Volts si vous voulez indifféremment faire fonctionner vos appareils dans les deux endroits. Les transformateurs sont composés:

1° d'un circuit magnétique;

2° d'une bobine primaire;

3° d'une ou plusieurs bobines secondaires.

Si le primaire a le même nombre de tours que le secondaire, la tension à la sortie sera la même qu'à l'entrée.

Si le secondaire a 2 fois plus de tours, la tension de sortie sera double de celle du primaire. Dans la pratique, le ou les secondaires ont toujours 5 à 10 % de plus de tours qu'en théorie, ceci afin de compenser la perte de tension dans les enroulements étant donné la résistance des fils de ces enroulements.

PILES ET ACCUMULATEURS

Pour le profane, un accumulateur ou une pile sont identiques et pourtant s'il existe des similitudes dans le fait que ces deux appareils permettent d'emmagasiner de l'énergie électrique, il y a pourtant des différences importantes.

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a) Les accumulateurs se rechargent quand ils sont déchargés, et si cette opération est bien effectuée, les accumulateurs peuvent durer de 3 à 5 ans.

b) Les accumulateurs, à l'inverse des piles, peuvent fournir de très forts courants pendant un temps suffisamment long pour démarrer des moteurs puissants.

c) Les piles, en principe, ne se rechargent pas, on s'en sépare après usage.

A puissance égale, les piles ne peuvent pas débiter d'aussi forts courants que les accumulateurs* .

Caractéristiques communes aux piles et accumulateurs.

Les deux produisent du courant continu très pur. Les piles peuvent s'associer entre elles pour obtenir des tensions plus élevées (couplage série) ou des débits plus grands (couplage parallèle). Il en est de même pour les accumulateurs, mais, par contre, il n'est pas possible d'associer ensemble piles et accumulateurs.

TRANSFORMATION DU COURANT

ALTERNATIF EN CONTINU

Ainsi que vous le savez, les postes radio sont alimentés en continu. Quand on part du secteur EDF, il faut donc transformer l'alternatif en continu par un redressement.

Que veut dire redresser le courant?

* Ceci est dû à leur résistance interne élevée qui limite le courant instantané.

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Pour cela, il faut encore une fois avoir recours à une analogie. Dans les pages précédentes, nous vous avons expliqué ce qu'est un tension alternative. Une tension alternative, c'est une courbe avec des bosses et des creux qui, en vérité, est une belle sinusoïde (figure ), et qui change de sens à la vitesse de la fréquence du courant considéré. Pour ce que nous livre l'EDF, la variation a lieu 50 fois par seconde, comme nous l'avions déjà spécifié plus avant.

Supposons que la ligne qui joint tous les points zéro représente le niveau de la mer, que les parties situées au-dessus du niveau de la mer représentent des montagnes et que les parties situées en-dessous représentent des fosses marines de même importance que les montagnes (la profondeur des fosses est supposée égale à la hauteur des montagnes).

Redresser revient à supprimer toutes les fosses marines, ce qui nous donne le schéma . Si maintenant on rabote toutes les montagnes, on obtiendra un plateau situé à un certain niveau au-dessus de la mer, qui symbolisera la tension continue. Cela s'appelle le redressement mono-alternance.

Redresser deux alternances revient à transformer toutes les fosses marines en montagnes équivalentes. Ce qui nous amène au schéma C représentant une succession de montagnes semblables. Si, comme dans le cas précédent, tous les sommets sont rabotés, et servent à combler les creux, on obtiendra un nouveau plateau situé bien au-dessus du niveau de la mer, et nettement supérieur au redressement mono-alternance. Et nous nous rapprocherons de très près d'un véritable courant continu, qui de ce fait sera très facile à purifier définitivement (les techniciens disent "filtrer").

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Pour le redressement en mono ou double alternance, on utilise les redresseurs, qui sont des éléments qui ne laissent passer le courant électrique que dans un sens.

Reprenons une analogie hydraulique. Supposons un entonnoir assez pointu. On comprend aisément que l'eau s'écoule facilement vers le bas (a), par contre il apparait très difficile de faire l'inverse (b).

Il existe de nombreux redresseurs. Les plus connus sont: les redresseurs secs ou semi-conducteurs et les redresseurs thermo-ioniques; ces derniers appartiennent à la famille des tubes-radios.

Dans les schémas électriques, on symbolise les redresseurs ou diodes de redressement de la manière suivante: le courant passe facilement dans le sens de la flèche, et pratiquement pas dans l'autre sens (c).

Nous connaissons maintenant deux méthodes de redressement les plus employées en radio.

a) Redresseurs simple alternance ou mono-alternance, qui se veulent économiques mais sont difficiles à filtrer pour avoir du bon courant continu (figure ).

b) Redressement double alternance, ou montage en pont, qui permet d'avoir un bien meilleur courant continu, beaucoup plus facile à filtrer.

Nous reviendrons plus en détails sur ces différentes notions au fur et à mesure de l'étude des différents étages constituant les postes radios.