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Première version: 22/11/2002
Dernière version: 2015-05-02

# Électricité (page 4/4)
Applications pratiques

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Electrostatique et électrocinétique

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Sommaire de la page

## Préambule

Suite et fin de cette partie sur une des sciences les plus importantes de notre civilisation, l'électricité.
Maintenant que nous avons bien maitrisé les bases de l'électricité, que nous savons comment fonctionnent tous ses constituants, nous allons pouvoir passer à la pratique et voir qu'est-ce qu'on peut faire avec l'électricité.

## 1. Dangers de l'électricité

La règle numéro 1 en électricité, est de couper l'alimentation avant tout travail, et de contrôler que la tension est effectivement absente. Si on doit travailler sous tension, gants et vêtements isolants, outils isolés, et méga prudence.

Précisons les 3 dangers pour l'homme de l'électricité :

### 1.1. L'électrocution

#### 1.1.1. Influx nerveux et système cardiaque

##### 1.1.1.1. Les dangers

La peau et les tissus humains sont conducteurs. Tout voltage appliqué va faire un choc dans l'influx nerveux, ce qui a pour conséquence de déphaser à coup sûr le rythme cardiaque (toute châtaigne électrique reçue devrait entrainer une vérification à l'hôpital).

Le système nerveux étant annihilé (les informations le long des nerfs se propagent de manière électrique), les muscles touchés se contractent (en général les mains) se qui empêche de lâcher le conducteur électrique (l'effet de collage souvent rencontré).

Les dégâts à l'intérieur sont ensuite proportionnels à l'intensité appliquée. Trop d'intensité où trop longtemps provoque la mise en fibrillation puis l'arrêt du coeur.

Le danger pour le corps humain est donc surtout lié à l'intensité du courant qui parcourt le corps et à la durée.

Ce courant dépend de la résistance électrique de la peau, elle même dépendant de :

- épaisseur de la peau (dépend de l'endroit du corps)

- Pression de contact

- surface de contact

- Transpiration (humidité dans la peau)

- humidité de l'environnement (augmentant la surface de contact et diminuant la résistance peau-conducteur.

- Tension de claquage de la peau (la peau est percée)

Un courant de 10 mA commence à être dangereux pour l'homme. Ca correspond à une tension de 24 V dans les conditions les plus défavorables.

A partir de 30 mA, il y a risque de fibrillation cardiaque.

##### 1.1.1.2. Les protections

Pour éviter l'électrocution, il faut donc éviter le passage du courant dans le corps, donc en évitant qu'une partie du corps soit en contact avec un conducteur (sous haut voltage, l'air est un conducteur...) et une autre partie du corps avec un autre conducteur à un potentiel différent. Par exemple, sous une ligne haute tension, quand on est debout, la chute de tension dans l'air est de 30 000 V/m.
Un technicien de 2 m de haut aura une différence de potentiel entre sa tête nue et ses souliers non protégés de 60 000 V, il grille instantanément... Si ses chaussures ont des semelles caoutchouc, le courant va passer par les mollets et le pantalon en jean, il grille aussi. La technique utilisée est un vêtement conducteur qui égalise la tension entre la tête et les pieds (cage de faraday).

Pour les basses tensions, il suffit d'éviter de toucher un conducteur électrique situé à un autre potentiel que celui ambiant, soit en s'isolant du potentiel ambiant par le port de vêtements non conducteurs (l'air étant un isolant pour les faibles tensions, c'est surtout les parties du corps touchant la terre (plus conductrice que l'air) qui sont à protéger, comme les chaussures à semelle épaisses et en caoutchouc (non conducteur) ou des genouillères et gants épais non conducteurs si on travaille à genoux ou en s'appuyant au sol ou au mur de l'autre main.

#### 1.1.2. Brûlures électriques

Enfin, les brûlures électriques ne se contentent pas de brûler superficiellement la peau, mais tout le long du trajet des électrons dans le corps. Ces brûlures sont donc très profondes (jusqu'à ce que le courant soit suffisamment réparti entre les différents chemins s'offrant à lui) et très longues à guérir. Les cicatrices peuvent rester à vie.

### 1.2. Dégagement de chaleur => incendie

Le deuxième danger après le contact de l'humain avec un conducteur dénudé à un autre potentiel que celui ambiant, est le court circuit, c'est à dire 2 contacts dénudés tous les 2 à un potentiel différent (par exemple, le fil d'alimentation qui touche la masse suite au frottement qui a usé son isolant). Le courant est alors très intense, dégagement important de chaleur qui peut déclencher un incendie.

Cela peut-être éviter en protégeant le maximum de circuits avec des fusibles, qui fondent avec un courant important, et on essaie de faire en sortent qu'ils fondent avant que la température du conducteur qu'ils protègent soit trop importante.

### 1.3. Émission d'ondes électromagnétiques

Tout courant alternatif génère des ondes électromagnétisme, qui suivant leur intensité et fréquence peut-être néfaste sur le moyen et long terme pour l'être humain (brulures par effet micro-onde, maux de tête, déclenchement de cancer, affaiblissement général de la santé).

Pour ne as impacter les réceptions hertziennes de radio et télé et téléphones, tous les circuits commercialisés doivent émettre le moins d'ondes possible. C'est pourquoi d'ailleurs les circuits d'allumage automobile sont déparasités.

Pour diminuer cela, on environne le circuit alternatif par une cage de faraday qui limite les ondes émises.

## 2. Aimants permanents

Nous avons vu ici comment les aimants permanents "fabriquaient" leur champ magnétique.

Pour résumer, il faut d'abord un matériau dont les atomes ont une dernière couches électroniques incomplète, comme le fer à qui il manque la moitié des électrons sur la dernière couche électronique. Grâce à ça, chaque atome possède un champ magnétique, appelé le moment magnétique de l'atome.

Ensuite, il faut qu'il y ai des parties du matériau où tous les atomes ont leur moment magnétique orientés dans la même direction, ce sont les domaines de Weiss.

Les aimants permanents sont des matériaux qui, soumis à un fort champ magnétique, orientent leur domaine de Weiss dans le même sens, et dont les domaines de weiss, après arrêt du champ magnétique externe, restent en place au lieu de retourner à une position aléatoire, c'est à dire qu'ils restent aimantés. C'est la rémanence, le flux magnétique résiduel en l'absence d'excitation extérieure.

Le problème, c'est que cette orientation peut être fragile, et qu'un choc, qu'une température un peu trop haute, un champ magnétique externe trop fort, etc.peuvent faire retourner les domaines de Weiss dans une position aléatoire, le champ magnétique du matériau diminuant fortement.

Il y a 4 types d'aimants (dans l'ordre croissant de puissance de champ magnétique) :

- Ferrite ou Céramique, les plus anciens et les moins chers.
- Alnico (Aluminium-Nickel-Cobalt)
- Samarium Cobalt (SmCo) dit "terres rares", chers à cause du Cobalt
- Néodyme-Fer-Bore (NdFeB ou NIB) dit "terres rares", les derniers nés et plus puissants

Avantages et inconvénients de chaque type :

type | Avantages | Inconvénients
Ferrite | Bonne tenue en température Faible coût | Peu puissants
Alnico | Haute tenue en température Faible coût | Facilement démagnétisables par un champ externe
SmCo | Puissant | Température d'utilisation inférieure à 300°C Fragilité Coût élevé
NdFeB | Le plus puissants | Température d'utilisation inférieure à 100°C (150 °C pour les meilleurs) Fragilité Coût élevé

Pour rappeler les caractéristiques techniques les plus utilisées pour comparer 2 aimants :

- Rémanence : il s'agit du flux magnétique produit par l'aimant sans champ externe. Exprimée en Tesla, car c'est un flux magnétique B. Plus la rémanence est élevée, plus l'aimant est puissant (collera sur une surface métallique au attirera un autre aimant, ce qui donne plus de couple dans les moteurs à aimants permanents).
- Force d'excitation coercitive : Exprimée en oersted. C'est la force nécessaire au champ externe pour commencer à démagnétiser l'aimant (commence à désorienter les domaines de Weiss les plus libres). Plus cette valeur est élevée, et plus l'aimant sera capable de résister à des champs contraires.
- Densité d'énergie maxi BHmax : Produit BH (en kJ.m3) maxi de la courbe d'aimantation, permettant de connaitre l'energie maximum qui peut être stockée dans un aimant (c'est l'aire du plus grand rectangle inscrit dans la courbe d'hystérésis du matériau). Plus cette valeur est élevée, et plus l'aimant est stable.
- Coef T : Coefficient de chute de la rémanence en fonction de la température. par exemple, -0,15 signifie que pour une augmentation de 10 °C, le flux magnétique de l'aimant diminue de 1,5 %. Plus il est faible, et plus l'aimant est indifférent à la température.
- T max : Température maxi d'utilisation. Si on la dépasse, la rémanence de l'aimant risque d'être modifiée. Au dessus, les domaines de Weiss commencent à se désorienter, et le flux va diminuer fortement. Mais si on ramène l'aimant à une température normale, il retrouve normalment sa rémanence initiale.
- Tmini : Température mini d'utilisation.
- T Curie : Température à laquelle l'aimant est complètement démagnétisé. Il est détérioré quand on redescend en dessous de Tmax, car la rémanence de l'aimant est fortement diminuée comparé à la rémanence initiale. Il faut refabriquer l'aimant en le faisant refroidir sous un fort champ magnétique.

Caractéristiques techniques de chaque classe :

type | rémanence (Tesla) | Force d'excitation coercitive (Oe) | BHmax (kJ.m3) | coef T (%) | T max (°C) | T Curie (°C) | Tmin (°C)
Ferrite | 0,39 | 0,32 | 3,5 | -0,2 | 280 | 460 | -60
Alnico | 1,25 | 0,064 | 5,5 | -0,02 | 540 | 800 | -269,15
SmCo | 1,05 | 0,92 | 26 | -0,04 | 300 | 750 | -269,15
NdFeB | 1,28 | 1,23 | 40 | -0,12 | 100 à 150 | 310 | -196,15

Une autre caractéristique indiquée par les fabricants d'aimants est la force d'attraction. Recopier la suite de elec.trotech/02-magnetsime/materiax magnétiques/caract techniques

## 3. 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 a disparu 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) et surtout utilise un collecteur à lame, beaucoup plus sensible à l'usure que les bagues lisses des alternateurs. Elle délivrait un courant continu.

L'alternateur quant à lui tourne plus vite que le moteur (grâce à la courroie, le diamètre de la poulie moteur étant 2 fois plus important que celui de la poulie d el'alternateur, ce dernier tourne donc 2 fois 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) a cause de la construction en monophasé permettant d'économiser des diodes. Depuis les années 80, avec la baisse du prix des composants électronique et la hausse du cuivre, les alternateurs sont triphasés donc ont plus de rendement.
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. On pourrait lisser un peu le courant en sortie du pont de diode avec un condensateur, mais la batterie est déjà une sorte de gros condo, aux bornes de laquelle la tension est pratiquement continue.
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'éleve, 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 protections spécifiques pour les appareils devant fonctionner grâce à la tension d ela 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 Boum Boum), le régulateur envoie un courant supplémentaire sur la borne "exc". Celle-ci alimente l'inducteur de l'alternateur (le rotor, c'est à dire l'arbre au milieu qui tourne), 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 ainsi le régime chuter lorsqu'on appuie par exemple sur la pédale de frein, ce qui allume les deux feux arrières (2x21W=42W), et en condition de roulage, on sent que la voiture à moins de puissance ou perd de la vitesse (en cas de gros consommateur de courant comme l'ampli autoradio).

## 4. L'arc électrique

Phénomène de décharge lumineuse qui accompagne le passage de l'électricité entre deux conducteurs présentant une différence de potentiel (tension électrique) convenable. Ce phénomène fut découvert en 1813 par le physicien et chimiste anglais Davy, qui étudia notamment les décharges lumineuses à travers différents gaz, dès le début du XIXe siècle.

Si l'on fait passer un flux électrique (continu de préférence), dont le débit est de quelques ampères, dans deux crayons de charbon (ou dans deux tiges conductrices) amenés au contact l'un de l'autre, et que ces charbons soient ensuite très progressivement écartés l'un de l'autre, on constate que le courant continue à passer après rupture du contact, et l'on observe en même temps, dans l'espace gazeux séparant les deux pointes de charbon, une très vive émission de lumière, riche en rayons ultaviolets: c'est le phénomène de l'arc électrique. L'arc cesse d'exister dès que la distance entre les charbons devient trop importante. Dans l'air, pour que ce phénomène soit observable, il faut que la tension d'alimentation entre les deux charbons soit maintenue au moins égale à 40 volts. L'arc obtenu est dû à la vaporisation des particules de carbone portées à l'incandescence. Il est moins éclatant que les extrémités des charbons, et en particulier que celle du charbon positif, qui se creuse progressivement, tandis que celle du charbon négatif se gonfle.

Comparable à un conducteur souple, l'arc peut être dévié par l'application d'un champ magnétique.

Caractérisé par une grande densité de courant et un faible gradient de potentiel, l'arc électrique est le siège de températures très élevées, de l'ordre de 4 000 K, et est utilisé comme source calorifique dans les fours (soudure à l'arc), comme source de lumière dans les projecteurs ou comme générateur de plasma. Le phénomène de l'arc électrique est également utilisé dans certains redresseurs de courant, les thyratrons.

### 4.1. L'éclairage par lampe à arc

Comme on l'a dit plus haut, l'arc électrique produit une vive lumière. Ce phénomène fut utilisé au XIXe siècle comme moyen d'éclairage. Cependant l'éclairage par lampe à arc présentait quelques inconvénients : par suite de l'usure progressive des charbons, la résistance de l'arc augmente, et il fallait régulièrement rapprocher les charbons. Par ailleurs, l'éclairage à arc a perdu de son intérêt depuis l'apparition des lampes à incandescence à grande puissance et des lampes à fluorescence. Ces lampes à arc sont cependant parfois encore employées pour obtenir de très fortes intensités lumineuses: éclairage d'espaces découverts, phares, projecteurs de l'armée et de la marine, etc. On construit également des lampes à arc à électrodes de tungstène dans lesquelles l'étincelle éclate dans une atmosphère gazeuse comme l'azote, le néon, le krypton ou le xénon, ou dans une atmosphère de vapeur de mercure. Certaines de ces lampes, à l'intérieur desquelles le gaz est porté à haute pression (jusqu'à 200 atmosphères), ont une luminance voisine de celle du Soleil; la température dans l'arc dépasse 6 000 K. Ces lampes sont surtout utilisées pour les projecteurs en microscopie.

### 4.2. Les fours à arc

Dans ces fours, qui permettent d'obtenir des températures très élevées, les débits électrique atteignent plusieurs milliers d'ampères. Ils sont utilisés pour préparer un grand nombre de produits métallurgiques tels que le fer, les aciers spéciaux et les alliages ferreux. Ces derniers, appelés ferros, sont utilisés pour modifier les propriétés des fontes. Les fours à arc permettent également de préparer d'autres corps tels que le carbure de calcium, le carborundum, l'aluminium, le phosphore, des engrais et même des pierres précieuses artificielles. C'est au chimiste français Henri Moissan (1852-1907) que l'on doit l'invention de ces fours. Il fabriqua le premier des diamants microscopiques, en 1893, au moyen d'un tel appareil.

## 5. Pour en savoir plus ...

Deux pages de base pour bien comprendre l'électricité en vue de l'application à l'électronique : la page de E-lektronik (page 1/2 et page 2/2)

Les autres pages sur l'électricité :

Définitions préalables

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