Electricite

Électricité

L’électricité est l'interaction de particules chargées sous l'action de la force électromagnétique. Ce phénomène physique est présent dans de nombreux contextes : l'électricité constitue aussi bien l'influx nerveux des êtres vivants que les éclairs d'un orage. Elle est largement utilisée par les sociétés développées pour transporter de grandes quantités d'énergie facilement utilisable.

Les propriétés de l'électricité ont commencé à être comprises au cours du XVIIIe siècle. La maîtrise du courant électrique a permis l'avènement de la seconde révolution industrielle. Aujourd'hui l'énergie électrique est omniprésente dans les pays développés : à partir de différentes sources d'énergie (principalement hydraulique, thermique et nucléaire), l'électricité est de nos jours un vecteur énergétique employé à de très nombreux usages domestiques ou industriels.

Ligne électrique près d'une voie ferrée en Pologne.
La foudre fut la première manifestation visible de l'électricité pour les humains.
Câbles électriques à haute tension à proximité d'un transformateur électrique de distribution.

Sommaire

Nature de l'électricité

C'est le mouvement des charges électriques de la matière qui est à l'origine de l'électricité.

Comme la masse, la charge électrique est une propriété intrinsèque de la matière, qui permet d'expliquer l'origine de certains phénomènes. Cela veut dire que personne n'a jamais observé directement une charge électrique, mais que les scientifiques ont remarqué des similitudes de comportement en étudiant certaines particules. Ils ont postulé que ces particules avaient une caractéristique en commun, dont les propriétés coïncidaient avec leurs observations.

Contrairement à la masse, il existe deux types de charges électriques, qui se comportent comme si elles étaient « opposées » l'une à l'autre ; on les appelle donc par convention positive et négative.

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deux charges de nature opposée s'attirent deux charges de même nature, par exemple deux charges positives, se repoussent

Des charges de nature opposée s'annulent. Cela signifie qu'une particule qui possède autant de charges positives que négatives se comporte comme si elle n'en possédait aucune. On dit qu'elle est électriquement neutre.

L'électricité statique

Article détaillé : Électrostatique.

Dans la nature, les électrons sont des porteurs de charges négatives et les protons des porteurs de charges positives. Les atomes qui composent la matière ordinaire sont faits d'électrons qui se déplacent autour d'un noyau composé de protons et de neutrons, ces derniers étant électriquement neutres. Le nombre d'électrons étant égal au nombre de protons, l'ensemble est électriquement neutre.

Quand on frotte certains matériaux entre eux, les électrons superficiels des atomes de l'un sont arrachés et récupérés par les atomes de l'autre. Par exemple une tige de verre frottée sur un tissu de soie se charge positivement, car ses atomes perdent des électrons au bénéfice de la soie ; si on frotte un ballon de baudruche sur des cheveux secs, on le charge négativement, car il capte des électrons aux cheveux.

Une règle en plastique frottée sur des vêtements possède une charge négative. Elle peut alors attirer des petits morceaux de papier. La règle modifie, par influence électrostatique, la répartition des charges dans le papier : les charges négatives de la règle repoussent les charges négatives à l'autre extrémité du morceau de papier et attirent les charges positives des atomes de papier.

On parle d'électricité statique quand il n'y a pas de circulation des charges électriques. Expérimentalement cela est généralement obtenu en utilisant des matériaux dans lesquels les charges sont « piégées », des matériaux isolants : le plastique, le verre, le papier... qui résistent à la circulation des charges[1].

Le courant électrique

Article détaillé : Courant électrique.

Il existe aussi des matériaux conducteurs, comme les métaux, l'eau salée, le corps humain ou le graphite par exemple, qui permettent aux charges électriques de se déplacer facilement.

Lorsqu'on marche sur une moquette, le frottement des pieds sur le sol arrache des électrons et le corps se charge d'électricité statique. Quand on touche une poignée de porte métallique, on ressent alors une petite décharge électrique accompagnée d'une étincelle, causée par le déplacement brutal des charges électriques s'écoulant vers le sol à travers les matériaux conducteurs de la porte.

Cet écoulement est dû au fait qu'il y avait plus de charges dans le corps que dans le sol : comme deux charges de même nature ont tendance à se repousser, dans un conducteur elles vont chercher à se déplacer vers le point le moins chargé. Cette différence de charges entre le corps et le sol est appelée une différence de potentiel.

Pour créer un courant électrique, il faut donc un circuit de matériaux conducteurs qui permettra aux charges électriques de se déplacer et, un système capable de créer une différence de potentiel entre les deux extrémités du circuit. Ce système est appelé un générateur : ce peut être par exemple une pile ou une dynamo.

Le sens du courant

Dans un circuit électrique on dit que le courant électrique, noté I, circule entre les électrodes depuis le pôle positif vers le pôle négatif du générateur. Ce sens est purement conventionnel puisque le courant peut aussi bien être causé par des charges positives qui seront attirées par le pôle négatif du générateur, que par des charges négatives qui se déplaceront en sens inverse, vers le pôle positif. C'est ainsi que dans un fil électrique, les charges positives (les noyaux des atomes) restent fixes dans la structure du métal et ne peuvent constituer aucun courant électrique ; le courant électrique dans un métal est créé uniquement par le déplacement des charges négatives (les électrons libres) vers le pôle positif du générateur : c'est un courant électronique, cependant on utilise toujours le sens conventionnel I du courant, institué avant cette découverte.

On parle de courant continu quand le sens reste constant et, de courant alternatif quand il change périodiquement. La fréquence d'un courant alternatif est le nombre de périodes par seconde. Elle s'exprime en hertz (Hz), par exemple en Europe le courant distribué dans les installations électriques est à une fréquence de 50 Hz et en Amérique de 60 Hz.

Analogie hydraulique

Pour comprendre certaines propriétés du courant électrique, il est intéressant de le comparer à de l'eau s'écoulant dans un circuit de tuyaux. Le générateur peut alors être vu comme une pompe chargée de mettre en pression ce liquide dans les tuyaux.

La différence de potentiel, ou tension, ressemble alors à la différence de pression entre deux points du circuit d'eau. Elle est notée U, et exprimée en volts (V).

L'intensité du courant électrique peut être rapprochée du débit d'eau dans le tuyau. Elle mesure le nombre de charges qui passent chaque seconde à un point du circuit ; elle est souvent notée I, et mesurée en ampères (A).

La résistance d'un circuit électrique serait alors analogue au diamètre des tuyaux. Plus les tuyaux sont petits, plus il faut de pression pour avoir le même débit ; de façon analogue, plus la résistance d'un circuit est élevée, plus il faut une différence de potentiel élevée pour avoir la même intensité. La résistance électrique mesure donc la faculté de freiner plus ou moins le passage du courant. Elle est notée R et, elle est exprimée en ohms (Ω).

Il est possible de pousser cette analogie beaucoup plus loin[2] mais il est important de garder à l'esprit qu'elle a ses limites et que certaines propriétés du courant électrique s'écartent sensiblement de ce modèle à base de fluide, de tuyaux, et de pompes.

L'électricité dans la nature

Les échanges électriques sont omniprésents dans la nature. En général, il s’agit de phénomènes ni très visibles, ni évidents, mais ils sont fondamentaux ; les forces électromagnétiques et électrofaibles font partie des quatre interactions fondamentales qui structurent tout l’Univers.

La foudre

Article détaillé : Foudre.

La friction de nombreux matériaux naturels ou artificiels produit de la triboélectricité. La foudre est une énorme décharge électrique due à l'accumulation d'électricité statique dans les nuages. En temps normal l'air est un isolant qui ne laisse pas passer l'électricité. Quand les nuages d'orages accumulent trop de charges électriques, ils parviennent à modifier la structure de l'air en la transformant localement en un plasma ionisé qui conduit l'électricité. Des arcs électriques se forment alors entre le nuage et la terre : les éclairs.

L'électrisation de l'air peut donner lieu à d'autres phénomènes, comme le feu de Saint-Elme.

Au cœur de la matière

Les circulations de charges électriques interviennent dans de nombreux phénomènes naturels, et notamment dans les réactions chimiques d’oxydo-réduction comme la combustion.

Le champ électromagnétique terrestre est lui aussi créé par des courants électriques circulant dans le noyau de notre planète.

Les poissons électriques

Article détaillé : Poisson électrique.
Torpille du Pacifique

Les poissons électriques sont capables d'utiliser le courant électrique pour s'orienter, pour se protéger ou bien pour communiquer. Il existe des espèces capables de produire de véritables décharges électriques : 600 V pour l'anguille électrique ; cela lui permet d'assommer ses proies avant de les consommer. Ils produisent de telles décharges électriques grâce à leurs organes électriques, qui ont une structure interne semblable aux muscles.

L'influx nerveux

Tous les êtres vivants produisent de l'électricité pour animer les muscles ou pour transmettre de l’information par l'influx nerveux des nerfs par exemple. C'est ainsi que les médecins utilisent l'électrocardiographie et l'électro-encéphalographie pour vérifier le bon fonctionnement du cœur ou du cerveau. La science qui étudie la production d'électricité par les êtres vivants est l'électrophysiologie.


Histoire

Article détaillé : Histoire de l'électricité.

Électricité est un mot provenant du grec êlektron signifiant ambre jaune. Les anciens Grecs avaient découvert qu’en frottant l’ambre jaune, celui-ci produisait une attirance sur d’autres objets et, parfois des étincelles. Ils ont donc appelé cette force électricité.

William Gilbert, le premier, dans son De Magnete (1600), fait la distinction entre corps électriques (il introduit ce terme) et magnétiques. Il assimile la Terre à un aimant, note les lois de répulsion et d'attraction des aimants par leur pôle et l'influence de la chaleur sur le magnétisme du fer. Il donne aussi les premières notions sur l'électricité, dont une liste des corps électrisables par frottement.

Une période d'observation commence au XVIIIe siècle où l'on apprend à créer de l'électricité statique. Monsieur Du Fay dit Charles-François de Cisternay, en 1733 découvre les charges positives et négatives, observe les interactions entre ces charges. Mais c'est Coulomb qui énonce les premières lois physiques.

En 1799, Alessandro Volta invente la pile électrique et en 1868 le Belge Zénobe Gramme réalise la première dynamo. En 1879, Thomas Edison présente sa première ampoule électrique à incandescence. Une centrale hydraulique de 7 kW est construite la même année à Saint-Moritz, puis, en 1883, Lucien Gaulard et John Dixon Gibbs créent la première ligne électrique. En 1889, une ligne de 14 km est construite dans la Creuse, entre la Cascade des Jarrauds, lieu de production, et la ville de Bourganeuf.

L'électricité se développe alors progressivement pendant le XXe siècle, d'abord dans l'industrie, l'éclairage public et le chemin de fer avant d'entrer dans les foyers. Différents moyens de production de l'électricité se développent : Centrales hydraulique, thermique, éolienne, puis nucléaire...

Production

Article détaillé : Production d'électricité.
Sources de l'électricité mondiale en 2000[3]
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L'électricité représente environ un tiers de l'énergie consommée dans le monde. L'électrotechnique est la science des applications domestiques et industrielles (production, transformation, transport, distribution et utilisation) de l'électricité.

La méthode la plus courante pour produire de grandes quantités d'électricité est d'utiliser un générateur, convertissant une énergie mécanique en une tension alternative. D'une manière générale la source n'est pas forcément mécanique, on peut penser aux piles ou aux panneaux solaires par exemple.

Cette énergie d'origine mécanique est la plupart du temps obtenue à partir d'une source de chaleur, issue elle-même d'une énergie primaire, telles les énergies fossiles, pétrole, nucléaires ou une énergie renouvelable, l'énergie solaire. On peut également directement utiliser une énergie mécanique, l'énergie hydraulique ou l'énergie éolienne.

Transport et distribution

Article détaillé : Réseau électrique.

Le courant qui circule sur réseau électrique est le plus souvent alternatif et triphasé car c'est le plus économique à produire et à transporter. Alors que le consommateur final a besoin de courant à basse tension, moins dangereux à utiliser, il est plus économique de transporter un courant à très haute tension sur de longues distances.

En effet, à puissance constante, si l'on augmente la tension, on réduit l'intensité du courant (P = U \times I \times \cos(\phi) en monophasé) et donc, également les pertes par effet Joule ou pertes thermiques (P_{th} = R \times I^2), mais aussi l'effet « peau d'orange » qui limite la circulation des forts courants à la surface extérieure des conducteurs ce qui obligerait l'utilisation de câbles de cuivre de plus grosse section. On utilise donc des transformateurs élévateurs de tension de manière à réduire l'intensité du courant pour le transporter et, des transformateurs abaisseurs de tension pour la distribution (en basse tension) aux usagers.

Conversion transformation

Les tensions électriques peuvent être transformées et converties.

En règle générale pour les grosses puissances, les tensions sont alternatives et passent par des transformateurs pour convertir le courant en flux magnétique lui-même converti à nouveau en courant grâce à des bobines. Ce principe permet de changer le niveau de tension tout en conservant la fréquence et une isolation galvanique entre le réseau primaire et secondaire du transformateur. Pour les puissances le permettant technologiquement, on utilise des convertisseurs à semi-conducteurs (transistors, thyristors) :

  • des redresseurs pour convertir une tension alternative en tension continue ;
  • des onduleurs pour convertir les tensions continues en alternatives ;
  • des convertisseurs permettent la conversion directe de tension continue en tension continue par découpage à haute fréquence.

Stockage

Article détaillé : Stockage de l'électricité.

Pour l'électricité transportée et distribuée au moyen de conducteurs, il est nécessaire d'équilibrer à tout moment la production et la consommation. Les centrales thermiques au gaz, au pétrole ou au charbon, sont généralement utilisées pour répondre à des pics de demande. On utilise aussi des stations de pompage-turbinage entre deux retenues d’eau : pendant les heures creuses, l'eau est pompée vers le bassin supérieur et pendant les heures de pointe, l'eau passe dans une turbine qui produit un appoint d'électricité sur le réseau.

Il est aussi possible de stocker l'électricité à petite échelle au moyen de batteries d'accumulateurs, de condensateurs ou de bobines d'inductances.

  • Les batteries d'accumulateurs sont très répandues pour l'utilisation des équipements et systèmes autonomes fixes ou mobiles.
  • Les condensateurs sont utilisés depuis longtemps en électricité et électronique, mais sont apparus récemment les supercondensateurs permettant de disposer de plus de puissance instantanée qu'avec des batteries d'accumulateurs classiques de taille plus grande, mais pendant des temps très courts. Une utilisation possible peut trouver sa place dans la traction électrique automobile pour les phases transitoires d'accélération, d'autant plus que la recharge des condensateurs est presque instantanée.

Les métiers de l’électricité

L'électrotechnique est un ensemble de technologies qui peuvent être pratiquées par : un ingénieur, un électrotechnicien, un dessinateur-projeteur...

  • le bobineur est un technicien qui réalise les circuits magnétiques comme ceux des moteurs ou des générateurs ;
  • le monteur-câbleur réalise les armoires de commande et il procède au raccordement ;
  • les électriciens câblent les réseaux basse tension et haute tension, dans le bâtiment, l'industrie, le tertiaire, la marine, l'aéronautique et les moyens de transport terrestre, (automobile) ;
  • les techniciens de maintenance, entretiennent et dépannent les machines électriques ;
  • les automaticiens, électroniciens, électrotechniciens créent les automatismes et systèmes de régulation électrique pour commander les machines automatisées...

Ainsi qu'une multitude de métiers liés à l'industrie de l'électricité (pour les plus courants : chimiste, calorifugeur, thermicien, robinetier, chaudronnier, mécanicien...).

Usages et consommation

Aujourd'hui l'électricité sert pour l'éclairage, le chauffage ou la climatisation. Elle fait tourner les moteurs électriques qui font avancer les trains ou fonctionner les appareils ménagers. Elle fait fonctionner les appareils électroniques, le téléphone, la radiodiffusion, la télévision, la sonorisation. L’informatique, les automates, les communications numériques (internet, réseaux) ont besoin d'électricité.

En dépit d'encouragements aux économies d'électricité et d'une notable amélioration de l'efficience énergétique de 1999 à 2004, la consommation finale continue à augmenter en Europe (UE-25). Un ménage moyen de l’UE-25 consommait 4 098 kWh en 2004, alors qu'il aurait pu n'en consommer que 800 kWh s'il était équipé d'appareils existants à basse consommation et en abandonnant les ampoules à incandescence (et encore moins avec les technologies les plus efficientes). Selon le Centre commun de recherche (CCR) de l’UE, de 2005 à 2006, la consommation a augmenté dans l’UE-25 dans tous les secteurs ; dans le résidentiel, dans le tertiaire (+ 15,8 %) et dans industrie (+ 9,5 %), à un rythme calqué sur celui du PIB global (+ 10,8 %).
Le rapport recommande d'encourager les chauffe-eau solaires et les économies d'énergie, par remplacement notamment des lampes à incandescence. En novembre 2006, la Commission européenne a engagé un plan d'action pour l'efficacité énergétique qui doit réduire de 20 % la consommation d'électricité de l’UE-25 d'ici 2020[4]. Les appareils consomment plutôt moins, mais ils sont plus utilisés (explosion de l'utilisation de l'ordinateur et du téléphone portable. Le temps passé devant la télévision a augmenté de 13 % entre 1995 et 2005[5]. L'éclairage nocturne, qui est par ailleurs un des facteurs du phénomène dit de pollution lumineuse est en augmentation constante depuis 50 ans. Et dans le tertiaire l'éclairage (de jour souvent) est le premier poste de consommation électrique, 175 TWh consommés par an et 26 % de consommation électrique totale du secteur tertiaire[6].

Le réseau domestique

Articles détaillés : Réseau électrique et Électricité domestique.

À part les appareils à piles ou les batteries d'automobile, la majorité de l'électricité utilisée dans la vie quotidienne provient du réseau électrique. Chaque habitation est reliée au réseau par l'intermédiaire d'un tableau qui contient au moins un compteur destiné à la facturation ainsi qu'un disjoncteur servant d'interrupteur général et, permettant de protéger l'installation. De ce disjoncteur sortent deux conducteurs qui alimentent l'installation domestique : la phase et le neutre et parfois deux conducteurs de phase supplémentaires, dans les installations triphasées. On trouve un troisième conducteur pour la mise à la terre.

On trouve ensuite un tableau de fusibles ou de disjoncteurs, distribuant le courant dans les différents circuits de la maison. On prévoit généralement des circuits spécialisés pour les appareils qui ont besoin de beaucoup de puissance (four, cuisinière électrique, lave-linge, lave-vaisselle, chauffe-eau...), normalement, par pièce un circuit pour l'éclairage et un pour les prises électriques.

On utilise des interrupteurs pour ouvrir ou fermer les circuits électriques. Il est possible d'utiliser des montages spéciaux comme un va-et-vient ou un télérupteur quand on souhaite créer plusieurs points de commande, par exemple à chaque bout d'un couloir.

Applications industrielles

Santé et électricité

L'électrisation est le passage de courant électrique dans le corps humain. Quand le courant est trop fort cela peut par exemple entraîner des brûlures ou un arrêt cardiaque. On considère habituellement qu'une tension de plus de 50 V alternatifs / 120 V continus présente un danger potentiellement mortel : l'électrocution.

Les conséquences d'une électrisation dépendent de la nature de la tension (alternative ou continue), de la résistance du corps humain généralement admis comme étant à 5 000 ohms en TBT (Très Basse Tension), 1 000 ohms sous 220 V alternatif et 400 ohms sous 500 V (la résistance est dégressive en fonction de la tension d'exposition), de l'amplitude du courant ayant circulé et du temps de passage de ce courant. Il est couramment admis quelques seuils sur lesquels se basent les règles de sécurité :

  • Au-dessus de 20 mA, danger de fibrillation cardiaque si passage par le cœur. En TBT 50 VAC / 120 VDC maximum, le danger pour l'homme est faible (U/R < 30~{\rm mA}).
  • Au-dessus de 1 000 V, il y a danger, même sans contact direct avec un conducteur, car il se produit une ionisation de l'air, les distances d'approche minimales sont évaluées en fonction du niveau de tension. D'où l'interdiction d'entrer dans les enceintes des transformateurs électriques. Malgré la distance conséquente séparant les conducteurs des lignes haute tension, le bruit que l'on peut entendre en dessous de ces lignes est consécutif à des micro-amorçages par claquage de l'air.

L'absence visuelle de brulure après une électrisation n'exclut pas des brulures internes sur le chemin de passage du courant dans le corps, lesquelles peuvent engendrer des nécroses.

Mais l'électricité sert aussi à soigner : elle peut être utilisée telle quelle, pour administrer des électrochocs ou faire des stimulations de tissus nerveux ou musculaires, ou encore alimenter les appareils de pointe utilisés en médecine, permettant des techniques de soin telles que radiothérapie, électropuncture, stimulateur cardiaque, prothèse, et de diagnostic telles que radiographie, scanner, résonance magnétique, endoscopie.

Contexte règlementaire

En France, le décret N° 88-1056 du 14 novembre 1988 traite de la protection des travailleurs dans les établissements assujettis au code du travail livre 2 titre 3 qui mettent en œuvre des courants électriques. Il s’applique également aux entreprises étrangères à l’établissement et auxquelles celui-ci confie soit des travaux sur ses propres installations électriques, soit des travaux de quelque nature que ce soit au voisinage d’installations électriques. Ce décret a donné naissance aux prescriptions UTE C18-510 relatives à la sécurité des personnes approchant les circuits électriques.

Normalisation

Il existe en France trois normalisations en électricité :

La normalisation en France est réglementée par la loi du 24 mai 1941 qui a créé l’Association française de normalisation (AFNOR) et définit la procédure d’homologation des normes. Cette loi est complétée par le décret n° 84-74 du 26 mai 1974, modifié par les décrets n° 90-653 et 91-283.

Par ailleurs, une norme homologuée peut être rendue d’application obligatoire par arrêté, mais cette procédure n’a été jusqu’à présent que peu utilisée en électricité sauf en ce qui concerne la sécurité. (UTE C18-510, NF C15-100, NF C13-200)

Il existe deux grandes familles de normes qui visent d’une part la construction du matériel électrique et d’autre part la réalisation des installations électriques. Une nouvelle norme vient de sortir en août 2007 pour le contrôle des intallations existantes de plus de 15 ans pour le diagnostic immobilier (obligatoire courant 1er semestre 2008, décret d'application attendu fin 2007).

Les principales normes de réalisation sont :

  • La NF C 15-100 : Installations électriques à basse tension ;
  • La NF C 13-100 : Postes de livraison ;
  • La NF C 13-200 : Installations électriques à haute tension ;
  • La NF C 14-100 : Installations de branchement (basse tension).

Les principales normes de conception sont :

  • La NF C 20-010 : Classification des degrés de protection procurés par les enveloppes ;
  • La NF C 20-030 : Règles de sécurité relatives à la protection contre les chocs électriques ;
  • La NF C 71-008 : Baladeuses et éclairage de chantier.

La norme expérimentale de contrôle des installations existantes :

  • La XP C 16-600 : État des installations électriques des immeubles à usage d'habitation - août 2007.

Notes et références

  1. Il est toutefois possible de leur associer un courant électrique (détectable directement ou par le champ magnétique qu'il crée) en mettant en mouvement le matériau chargé
  2. Précisions et développements de l'analogie hydraulique pour U, R et I, mais aussi les sources de tension (continue ou alternative), les points de masse, les condensateurs et les inductances : Analogie hydraulique
  3. Source Science & Décision [1]
  4. Rapport (66 pages, en anglais) du CCR sur l'évolution de la consommation électrique en UE-25
  5. Source : graphe page 28 du Gfk cité par Rapport
  6. page 46 du rapport

Voir aussi

Articles connexes

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Voir « électricité » sur le Wiktionnaire.

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Liens externes

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