Liaison électrique

Fil électrique

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Représentation symbolique d'un fil électrique dans un circuit

Un fil électrique, ou câble électrique, est le composant électrotechnique servant au transport de l'électricité, afin de transmettre de l'énergie ou de l'information. Il est constitué d'un matériau conducteur, mono-brin ou multi-brin, souvent entouré d'une enveloppe isolante (plastique, téflon, etc.)

Suivant sa taille, il peut être employé pour transmettre des signaux électriques, ou de l'énergie électrique. Les matériaux utilisés présentent des caractéristiques intéressantes en ce qui concerne la résistance électrique, le poids, la tenue mécanique, le coût.

Câble électrique multi-brin isolé

Théorie

Ligne de transmission

Article détaillé : Ligne de transmission.

La ligne de transmission est une notion théorique très importante dans le domaine des télécommunications, elle décrit l'influence d'un conducteur électrique dans la transmission de signaux à haute fréquence.

Matériaux utilisés

Cuivre

Article détaillé : Cuivre.

Bonne conductivité, métal malléable.

• Fil cylindrique
  • Le cuivre est le métal le plus utilisé pour faire des fils et câbles électriques, car il a une excellente conductivité électrique. On l'utilise soit en fil de section cylindrique mono-brin (rigide), soit en section toujours cylindrique mais multi-brins ou (souple). Pour le rendre plus souple, il est utilisé en alliage avec d'autres métaux.
  • Le fil de cuivre est protégé soit :
    • par une pellicule de vernis, quand on l'utilise pour la fabrication des bobinage, transformateur, électroaimant ;
    • par une couche de plastique colorée, dans la majorité des autres cas.
    • Ces protections assurent l'isolation tout en conservant les propriétés d'adaptation de forme du fil.
    • Autrefois on utilisait une tresse de coton, du caoutchouc et, parfois du papier pour l'isolation des fils, ces techniques ont disparues pour des raisons de sécurité et de coût.
  • Le fil de cuivre isolé est souvent torsadé en un câble, comportant de deux à plusieurs centaines de fils. Ces câbles sont parfois munis (entourés) d'un ou plusieurs blindage faits d'une feuille d'aluminium et/ou d'une tresse de cuivre. Dans certains cas, on arme le câble avec une ou plusieurs feuilles (feuillard) d'acier, afin qu'il puisse résister à des conditions mécaniques extrêmes : câbles en sous sol, câbles sous-marins.

• Barre
  • Pour la distribution de grands courants, dans les installations industrielles et les armoires de distribution électrique, on utilise le cuivre en barres plates. Ces barres (jeux de barres) sont utilisées à la place de câbles pour une raison de coût, mais aussi de facilité de connexion et de rigidité.
  • Il est plus simple de concevoir et de réaliser une bonne connexion entre deux conducteurs plats, qu'entre un câble cylindrique et un trou rectangulaire.
  • De plus le jeu de barres solidarise l'ensemble des divers appareillages qui lui sont reliés, prévenant ainsi un éventuel défaut de fixation dû aux vibrations et contraintes thermiques.
  • Ces jeux de barres sont installés exclusivement, dans des endroits d'accès réservés aux électriciens. Elles sont rarement isolés, seules des balisages et des protections translucides, imposées depuis les années 1980, préviennent d'éventuels accidents d'électrisation.

• Piste en cuivre sur support d'époxy ou de bakélite, utilisé dans les applications électronique mettant en jeux des courants électriques plutôt faibles.

Aluminium

Article détaillé : Aluminium.

Bonne conductivité, métal léger, moyennement malléable.

• L'aluminium est souvent utilisé dans le transport d'électricité de grande puissance lorsque la section du câble et sa longueur élimine le cuivre, à cause de sa masse spécifique plus élevée. Il est quasiment exclusivement utilisé en âmes à brins multiples, du fait des sections en jeux et de sa relative rigidité. Sa relative facilité de casse lors de torsions et de manipulations le rend indésirable en milieu domestique.
• Il est utilisé à la place du cuivre dès que la contrainte poids devient importante : aéronautique, conquête spatiale, etc.

Acier

Tramway à caténaire

Motrice de métro avec son rail de traction

Article détaillé : Acier.

Moyenne conductivité, grande résistance à l'étirement, lourd et peu malléable.

• L'acier est utilisé, en général, comme support des câbles en aluminium ou en cuivre dans les câbles décrivant de grandes portées, afin d'assurer une résistance à la traction que l’aluminium ou le cuivre seraient incapables de supporter sans allongement excessif et rupture.
• De façon plus spécifique, l'acier est également utilisé pour le transport de l'énergie dans le milieu ferroviaire. Une polarité est acheminée par la caténaire, l’autre polarité utilise comme support les rails de roulements en acier. Dans le cas particulier du métro, la polarité positive est distribuée via un « rail de traction » également en acier.

Argent

Article détaillé : Argent.

Excellente conductivité, métal précieux.

• L'argent est utilisé pour diminuer la résistance de contact, dans les systèmes de connexions et, les systèmes de commutations comme les contacts des relais. Il nécessite toutefois un système de nettoyage, généralement automatique, pour éviter que l'oxydation de surface compromette sa bonne conductivité électrique.
• Il est utilisé dans certains fils, en alliage avec le cuivre pour assurer une bonne souplesse au fil.
• Il peut aussi être mélangé à l'or qui lui assure une meilleure souplesse et une meilleure conductivité tout en baissant le prix du fil d'or. Ceci utilisé en robotique par exemple pour effectuer des connexions de très grande précision.

Or

Article détaillé : Or.

Excellente conductivité, inoxydable, métal précieux.

• L'or est utilisé avec parcimonie, en couche très mince déposée par électrolyse (un flash), dans les systèmes électriques et, nettement plus en électronique.
• Comme l'argent, il est utilisé pour réaliser la liaison la plus parfaite possible entre deux conducteurs indépendants : les contacts des cartes électroniques enfichables et les lamelles de contacts des connecteurs associés, les pastilles de contacts et les fils de liaisons internes des circuits intégrés.

Les isolants

Article détaillé : Isolant électrique.

• Polyéthylène
• Polyéthylène-chlorosulfoné (Hypalon)
• Caoutchouc silicone
• EPR (Ethylène-Propylène Rubber), largement utilisé pour les câbles faible et moyenne tension en environnement difficile^[1].
• PRC (Polyéthylène Réticulé Chimiquement)
• Polychloroprène
• PVC
• Isolant minéral
• Isolant SH (sans halogène)réticulé
• Gaine SH (sans halogène) réticulée
• Gaine SH (sans halogène) réticulée pour câble souple
• Gaine SH thermoplastique
• Isolant SH thermoplastique

Alliages

Almelec

Alliage d'aluminium, de magnésium et de silicium. Il est principalement utilisé pour la réalisation des lignes aériennes. Sa résistivité (32,5 . 10 ^-9 Ω.m) est environ le double de celle du cuivre, mais ses caractéristiques mécaniques lui permettent de résister aux contraintes liées à l'environnement (vent, gel, neige, variations de température).

Constantan

Article détaillé : Constantan.

Alliage de cuivre et de nickel dont la résistivité est quasiment indépendante de la température. Il est utilisé pour la réalisation de certains capteurs de température et capteurs de courant appelés shunts électriques.

Supraconductivité

L'alliage Cuprate-Bismuth

Les alliages à base de cuprate ont la caractéristique de devenir supraconducteurs à des températures relativement hautes (-170 à -200°C), ce qui les rend intéressant pour les transmissions d'énergie électrique en étant refroidi à l'hélium ou à l'azote liquides^[2].

Applications

Le fil électrique est un composant encore très largement utilisé dans la plupart des applications dans les domaines de l'électricité, de l'électronique, de l'électrotechnique. Il est notamment le constituant principal de certaines cartes électroniques prototypes (technologie de wrapping).

Il a tendance à être concurrencé par les technologies "sans fil" : télécommunications (téléphonie), réseaux informatiques (réseau sans fil), transmission d'énergie électrique sans fil (courte et longue distances).

Le nommage des câbles^[3] et fils électriques répond à plusieurs normes selon les pays et leur usage.

Sections normalisées

En France, les sections normalisées pour les fils de cuivre sont :

Courant basse tension (230 V)

• 0,75 mm² ou 1 mm² (fil souple) : fil de raccordement d'un appareil électrique à une prise murale, d'un luminaire à une boîte de dérivation ;
• 1,5 mm² : moins de 16 A ; alimentation d'une prise sur un réseau de cinq prises ou moins, alimentation d'un circuit d'éclairage de huit lampes ou moins, alimentation d'une ventilation mécanique contrôlée domestique, alimentation d'un circuit de chauffage électrique d'une puissance inférieure à 2 250 W ;
• 2,5 mm² : moins de 20 A ; alimentation d'un circuit de huit prises électriques ou moins, alimentation d'un circuit de chauffage électrique d'une puissance inférieure à 4 500 W ;
• 6 mm² : moins de 32 A ; alimentation d'un four électrique ou de plaques de cuisson ;
• 10 mm² : raccordement d'un tableau de protection et de répartition au compteur pour une puissance domestique modérée (abonnement 15/45 A) ;
• 16 mm² : idem pour les fortes puissances domestiques (abonnement 36/60 A) ;
• 25 mm²
  • fil isolé : idem pour les très fortes puissances domestiques (abonnement 60/90 A) ;
  • fil nu : raccordement de la borne de terre du tableau au piquet ou à la boucle de cuivre (elle-même en fil nu de 25 mm²) enterrés.

Les fils sont tous rigides, à l'exception des fils reliant les appareils aux prises murales, des fils alimentant les luminaires, et des fils de faible courant (téléphone, réseau informatique, sonde de température). À l'exception du câble reliant la borne de terre du tableau à la terre enterrée, tous les câbles doivent être isolés. Les câbles alimentant les circuits doivent par ailleurs être gainés :

• soit on utilise des câbles prégainés « multipolaires » ;
• soit on fait passer des câbles individuels dans une gaine souple (ICTA, isolant souple annelé) ou rigide (IRL, isolant rigide lisse) ;
• soit, dans le cas d'une pose « en applique » (pose apparente), on fait passer des câbles individuels sous une goulotte isolante.

Notes et références

1. ↑ (en) Consortium des câbles EPR - historique du diélectrique EPR [pdf]
2. ↑ (fr)Assemblée nationale - Rapport n°3477 (19 décembre 2001) - Techniques expérimentales
3. ↑ Dictionnaire des câbles d'alimentation

Voir aussi

• Ligne de transmission
• American Wire Gauge
• Ligne à haute tension

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