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Nature Humaine
Théorie & Technique>Formulaires>Electricité

Première version: 15/05/2003
Dernière version: 2003-05-15

Formulaire d'électricité

Sommaire de la page

1) Electrostatique

2) Electrocinétique

3) Electromagnétisme

4) Circuit électrique automobile


Electrostatique

Soit q une charge électrique quelconque.
L'électron est une charge négative.
Le proton est une charge positive. Si il manque un électron à un atome, cet atome est donc une charge positive, la charge positive de son proton orphelin n'étant pas annulée.
S'il y a autant d'électrons que de protons dans un atome, cet atome est neutre du point de vue électrique.

La force s'exerçant sur une charge q placée dans un champ est :
=q

Notion de potentiel :

La masse est le potentiel le plus bas du circuit, potentiel commun à toutes les parties d'un même circuit électrique. On l'assimile généralement à la terre (notre planète), comme pouvant absorber ou fournir des électrons sans que cela change ses particularités. Le potentiel de cette masse est pris par convention à 0 Volts.

E est un champ électrique.
V est le potentiel électrique d'un point, mesuré par rapport à un potentiel de référence (la masse en général).
U est une différence de potentiel mesurée entre 2 points (de potentiels différents en général).

Electrocinétique

Le courant électrique (déplacement de charges électriques) s'établit sous l'établissement d'un champ électrique dans un milieu conducteur de l'électricité.
Le courant électrique est défini comme le déplacement de charges électriques positives (des ions), d'un potentiel positif vers un potentiel négatif. Le milieu permettant le passage de charges positives est en général un électrolyte.
Le sens du courant électrique va donc du potentiel le plus haut vers le potentiel le plus bas (du + vers le - d'une batterie par exemple). C'est le sens conventionnel du courant.
Dans un conducteur métallique, les charges métalliques ne peuvent se déplacer, il n'y a que déplacement des charges négatives (les électrons). Le déplacement de ces derniers se fait donc dans le sens contraire des charges positives, donc du sens conventionnel du courant.
Pour l'étude macroscopique des circuits électriques, nous utiliserons le sens conventionnel du courant.

Le courant I=, c'est la quantité de charge dq passant à travers la section du conducteur pendant un intervalle de temps dt.
La densité de courant J est elle la quantité de charge passant à travers une surface unitaire du conducteur pendant un intervalle de temps dt.

 

 

 

Electromagnétisme

En 1901, lors de la première expérience de Marconi sur la TSF (télégraphie Sans Fil), la communauté scientifique est persuadée que la propagation des ondes électromagnétiques (EM) se fait sur le modèle de la lumière, s'est à dire en ligne droite. Elle a donc du mal à admettre qu'un message ai pu être envoyé du vieux au nouveau continent, vu la courbure de la terre.
C'est Hertz, mort à 37 ans, qui met en évidence, en 1888, les ondes EM, dont l'existence pouvait se déduire de la théorie de Maxwell.
Pour transmettre un signal EM, il faut pouvoir l'émettre et surtout le recevoir (antenne).
Pour générer les ondes EM, on dispose à l'époque d'un courant alternatif haute tension (issu du secondaire d'une bobine), qui passe dans un circuit relié à deux tiges métalliques horizontales, l'une en face de l'autre, chaque tige étant terminée par une petite sphère ,métallique (c'est comme les électrodes d'une bougie d'allumage automobile). Il se créé une décharge entre les deux sphères assez proches lors du passage du courant, lorsque l'air ionisé par la grande tension devient conducteur. C'est lors de la décharge que se créent les ondes EM.
Le cohéreur de Branly (tube en verre rempli de limaille métallique), couplé à un paratonnerre, devient une antenne : le cohéreur devient conducteur quand l'antenne est traversée par une onde EM, et que cette onde vient "cohérer" la limaille (la limaille s'aimante et suit les lignes de forces magnétiques).

 

Circuit électrique automobile

Dans une auto moderne, la batterie n'est là que pour fournir le courant nécessaire au démarreur (de l'ordre de 200 à 400 A, ce qui est énorme et explique la présence d'un fil de très forte section vers le démarreur), ou pour alimenter les accessoires lorsque le moteur ne tourne pas. Elle fournit alors une alimentation continue et stable de 12,6 V. Au fait, batterie est l'abréviation de batterie d'accumulateurs, c'est à dire des accumulateurs électrique mis l'un à côté de l'autre (en batterie...).

Quand le moteur tourne, il fait tourner avec lui un générateur de courant, à ce moment là c'est lui qui fait tout le boulot, la batterie n'est là tout d'abord que pour se recharger (suite à l'effort qu'elle vient de fournir pour alimenter le démarreur), puis ensuite pour absorber un peu les fluctuations de tension. La tension dans le circuit électrique varie alors autour de 14V.

C'est pourquoi les phares éclairent plus quand le moteur tourne (la tension est de 14V), que lorsque le moteur est arrêté (la tension est alors celle de la batterie, soit 12V).

En 1968, la dynamo des premières 2cv à disparue au profit de l'alternateur. La dynamo, fixée sur le vilebrequin derrière le ventilateur, est plus volumineuse qu'un alternateur, moins efficace, surtout dans les bas régimes comme le ralenti (aggravé par le fait qu'elle tourne à la même vitesse que le moteur). Elle délivrait un courant continu.

L'alternateur quant à lui tourne plus vite que le moteur, ce qui lui permet de générer un courant même au ralenti, mais son rendement n'est pas excellent (prélève beaucoup de puissance au moteur comparé à la puissance électrique fournie). Le courant en sortie est un courant alternatif, qu'il faut ensuite redresser avec un pont de diode pour le rendre compatible avec la batterie, qui ne peut être qu'en continu. C'est pourquoi la tension présente des ondulations.
Comme l'alternateur doit tourner plus vite que le moteur, on est obligé de le placer excentré du vilebrequin et de le relier à ce dernier via une courroie démultiplicatrice. Sur la 2cv, cela a conduit à placer l'alternateur sur l'échappement droit, en sortie de culasse, là où il est le plus chaud. Or, le rendement de l'alternateur chute lorsque la température s'élève, et la courroie est un élément d'usure et de panne. La position de la dynamo était elle parfaite, car elle était bien refroidie par le flux d'air de refroidissement et était fixée directement sur le vilebrequin, donc pas de courroie. De plus on y gagnait en compacité moteur.
L'idéal serait donc le retour de l'alternateur à cette position historique, en dotant ce dernier d'un réducteur incorporé comme Valéo le fait sur ses démarreurs modernes. Tant qu'on y est, on pourrait même supprimer le démarreur et piloter l'alternateur pour la fonction démarrage (alterno-démarreur ou dynalto). La compensation électronique des vibrations du flat-twin et la suppression d'une grosse partie du volant moteur serait évidemment un must...

Ensuite, de par le fonctionnement de l'allumage, la bobine lors de la fermeture du rupteur est le siège de pics de hautes tensions qui se répercutent dans tout le circuit électrique de la voiture.

Ces pics de tensions pouvant être néfastes aux appareils électroniques, il est bon d'antiparasiter le circuit électrique et de prévoir des protection spécifiques pour les appareils devant fonctionner grâce à la tension de la voiture.

La tension est maintenue à 14V grâce à un régulateur, qui commande l'alternateur grâce à la borne "exc" de celui-ci. Lorsque la tension chute (allumage d'un gros consommateur électrique comme les phares ou la sono 800 W), le régulateur envoie un courant supplémentaire sur la borne "exc". Celle-ci alimente l'inducteur de l'alternateur, ce qui augmente le flux magnétique et donc freine encore plus le mouvement du rotor. La puissance en sortie de l'alternateur est donc supérieure, suffisamment pour faire face à l'augmentation de la consommation électrique, mais le rotor étant relié au vilebrequin, il prélève sur ce dernier plus de puissance. Au ralenti, on voit le régime chuter, et en condition de roulage, on sent que la voiture à moins de puissance ou perd de la vitesse.

à suivre...


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