Introduction

Le présent manuel contient toutes les notions générales essentielles de l'électricité. Il contient les connaissances et formules indispensables pour l'électronique. Il est destiné particulièrement à toute personne souhaitant être familiarisée avec l'électrotechnique, ainsi qu'aux électroniciens qui désireraient se rappeler efficacement les notions les plus importantes de l'électricité.

Bref historique de l'étude de l'atome

L'atome est étudié depuis très longtemps. Ainsi, en Grèce antique, Leucippe et Démocrite affirmèrent que tout élément est composé de minuscules grains de matière. En 1773, le chimiste français Antoine Laurent de Lavoisier affirme que "Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme". Cela signifie que, durant une réaction chimique, la quantité de masse est conservée, même si celle-ci peut être décomposée. Entre 1887 et 1912, les particules comme le neutron, le proton et l'électron furent découvertes.

Structure générale de l'atome

Pour comprendre ce qu'est l'électricité, il est nécessaire de posséder quelques notions élémentaires de la structure de l'atome. Il ne s'agit pas de notions avancées, qui ne sont pas nécessaires dans la compréhension de l'électricité, mais uniquement des connaissances les plus fondamentales.
Toute matière, quelle que soit sa nature est composée d'atome. Cela est valable pour tous les types de matière, y compris les êtres vivants. L'atome est composé d'un noyau, lui même composés de protons et de neutrons. Les constituants composants le noyau sont appelés "nucléons". Autour du noyau gravitent les électrons. Il s'agit de charges négatives tournant constamment autour du noyau, à l'image de la terre qui tourne autour du soleil. Pour se faire une idée plus précise de l'atome, veuillez observer l'atome typique dessiné ci-dessous.



Modèle typique d'un atome

Nous pouvons y observer le noyau, constitué de protons et de neutrons, et les électrons qui gravitent autour. Ceux-ci sont soumis à la fois à la force centrifuge et à la force d'attraction du noyau. Comme ces deux forces s'équilibrent, les électrons restent en orbite autour du noyau.

Charges électriques

L'électron et le proton possèdent une charge électrique. En effet, l'électron possède une charge négative, et le proton, une charge positive. Le neutron ne possède pas cette caractéristique. Observez à présent le tableau récapitulatif des charges.

ÉlémentCharge électriqueValeur de la charge / masse
NeutronCharge électrique neutre.
ProtonCharge électrique positive.
ElectronCharge électrique négative.


Tableau des charges

Nous pouvons ici affirmer une notion très importante relative aux charges électriques:

Les charges positives se repoussent entre elles. Les charges négatives se repoussent entre elles. Les charges positives et négatives s'attirent entre elles.

L'atome possède le même nombre de protons et d'électrons, sa charge électrique est donc neutre, c'est à dire équilibrée. Nous affirmons, pour résumer, le fait suivant:

Toute matière est constituée d'atome. L'atome est le constituant essentiel de toute matière.

Représentation de l'atome

Chacun des 109 éléments que nous connaissons à un symbole qui lui est propre. Par exemple, le cuivre est désigné par Cu, le silicium par Si, l'argent par Ag. La majeure partie de la masse de l'atome est concentrée dans le noyau. L'addition des nucléons (protons et neutrons) est appelé "numéro de masse". Le nombre d'électrons est nommé "numéro atomique". Ainsi, dans le tableau périodique des éléments, nous désignons un atome par son numéro atomique, placé en bas à gauche du symbole, et par son nombre de masse, placé en haut à gauche du symbole. L'image ci-dessous montre quelques exemples.



Exemple de notation des atomes

Les états de la matière

Nous connaissons la matière essentiellement sous trois états: solide, liquide, gazeux. Ces trois états sont peuvent être expliqués par le fait qu'un atome n'est pas immobile, il oscille continuellement. Les trois états de la matière dépendent de l'intensité à laquelle les atomes oscillent.

Plus la température augmente, plus les atomes oscillent. Il n'y a qu'un seul état ou les atomes sont inertes: il s'agit du 0 absolu, soit -273,15.

Dans l'état solide le corps oppose une résistance. Les atomes sont maintenus ensembles par les forces de cohésion. Nous appelons cela un réseau atomique.
Imaginons à présent que nous chauffons le corps en question, jusqu'à son point de fusion, c'est-à-dire jusqu'à ce que la matière se liquéfie. L'oscillation des atomes augmente. Ces oscillations plus intenses permettent de vaincre les forces de cohésion: la matière est à l'état liquide.
Si nous chauffons encore notre matière jusqu'à l'état gazeux, les atomes oscillent tellement qu'ils se séparent.
Notez que chaque élément à son propre point de fusion et de solidification.

Couches électroniques

Nous divisons les électrons par couches électroniques. Celles-ci sont désignées par les lettres K, L, M, etc, en partant de la couche la plus proche du noyau. Les couches les plus éloignées du noyau sont celles qui possèdent les plus d'énergie. La dernière couche est appelée "couche de valence". Les électrons de cette couche sont appelés " électrons de valence ". Comme nous le verrons plus loin, cette couche nous intéresse particulièrement si nous voulons comprendre la conduction électrique. L'ensemble de ces notions est illustré ci-dessous.



Couches électroniques.

Ionisation et notion de courant

Lorsque l'atome acquiert de l'énergie d'une source extérieure, telle que par la chaleur ou la lumière, un électron de valence possédant suffisamment d'énergie peut quitter l'orbite de son atome et se déplacer librement dans le réseau atomique. Un tel électron est appelé "électron libre". Les électrons libres sont à l'origine du courant électrique.

Le courant électrique est le déplacement de plusieurs électrons libres dans la même direction. Son unité de mesure est l'Ampère [A]. Son symbole normalisé est I.

Lorsqu'un atome perd un électron, l'équilibre des charges est rompu. Nous rappelons qu'un atome possède le même nombre de protons que d'électrons. Par conséquent, lorsqu'il perd un électron, il n'est plus de charge neutre, mais devient plus positif. A l'inverse, lorsqu'un atome "récupère" un électron, il devient plus négatif. Un atome ayant un électron en moins ou en plus est appelé un ion.

Matériaux conducteurs, isolants, et semi-conducteurs

Les principaux matériaux conducteurs sont le cuivre (largement utilisé en électronique), l'argent, l'aluminium, et l'or. Ces éléments possèdent tous un seul électron de valence. Ils conduisent parfaitement l'électricité. Ci-dessous, l'atome de cuivre est illustré. C'est le conducteur le plus utilisé en électronique. Remarquez qu'il ne dispose que d'un électron libre sur la dernière couche.


Atome de cuivre. Remarquez qu'il ne possède qu'un seul électron sur la dernière couche.

La porcelaine est un exemple d'isolant utilisé dans des applications industrielle. Dans la couche de valence, les électrons sont solidement attachés à l'atome. Par conséquent, il n'y a que très peu d'électrons libres. Il ne peut donc pas se produire de courant électrique.

Les principaux matériaux semi-conducteurs sont le silicium, le germanium, et le carbone. Ils sont situés entre les conducteurs et les isolants. A l'état pur (intrinsèque) leur conductivité est mauvaise, et sont sont également de mauvais isolants. Ils possèdent des propriétés étonnantes: nous pouvons, par divers procédés, augmenter ou réduire leur conductivité. Ils sont aujourd'hui très utilisés dans tous les domaines de l'électronique.

Calcul de la quantité de charge

Maintenant que nous avons la notion de courant, intéressons-nous au calcul de la quantité de charge. Son unité de mesure est le Coulomb. Un Coulomb représente une charge d'un Ampère-seconde (As). En d'autre terme, un Coulomb correspond à un courant de 1 Ampère dans un conducteur, dans un délai d'un seconde. Nous pouvons résumer ces notions à l'aide d'équations simples.

Q: Quantité de charge [C]
I: Intensité du courant [I]
t: Temps [secondes]


Equations pour le calcul de la quantité de charge

Dans la première ligne, nous affirmons simplement que 1C correspond à charges élémentaires. Cela désigne le nombre d'électrons. Dans la deuxième ligne, nous rappelons que 1C correspond à 1 Ampère-seconde.

Nous pouvons ensuite observer la formule élémentaire de la quantité de charge. Celle-ci est désignée par Q (en Coulombs), le courant par I (en Ampères), et le temps par s (en secondes). La formule est transformée pour pouvoir calculer chacun de ces éléments.

Si, par exemple nous souhaitons calculer le courant si la quantité Q est de 2,5C et le temps s de 2,43 secondes, nous appliquons simplement la formule, comme illustré.




Application de la formule

Notion de tension

Nous allons ici aborder une notion essentielle en électronique. Pour cela, nous allons prendre l'exemple de la pile électrique qui nous est familière et que nous connaissons bien. L'une des bornes d'une pile possède un excédent d'électrons, l'autre borne est dépourvue d'électrons. Puisque les charges contraires s'attirent, un courant est créé lorsque la pile se trouve dans un circuit fermé. Cet état d'absence d'électrons d'un côté de d'excédent d'électrons dans l'autre, ainsi que la capacité à créer un courant est appelé " différence de potentiel ", et explique ce qu'est la tension. Pour être plus clair, nous pouvons prendre un exemple bien connu. Imaginez deux bassins communiquants reliés par un tuyau. L'un est plein, l'autre presque vide, comme illustré.







Exemple des bassins communiquants, différence de potentiel élevée

A cause de la pression provoqué par le bassin 1, un courant va s'écouler vers le bassin 2, jusqu'à ce que leur niveau soit équilibré. Entre un basin plein et un basin vide, il y a une grande différence de potentiel, une grande pression, et un fort courant est généré. La tension est haute. A présent, imaginez un bassin dont la différence de hauteur est faible, comme illustré.







Exemple des bassins communiquants, différence de potentiel faible

Le niveau de ces bassins vont aussi s'équilibrer. Toutefois, le courant sera plus faible que dans l'exemple précédent, car la différence de potentiel entre les deux bassins est plus faible. Nous sommes donc en mesure de donner une définition de la tension.

La tension électrique est la différence de potentiel existante entre deux points d'un circuit. Son unité est le Volt [V]. Son symbole normalisé est U.

Dans les exemples précédents, nous avons vu que la tension à une influence sur le courant. Dans ces exemples précis, plus la tension est haute, plus le courant est fort. Nous verrons plus lois que cet état n'est pas une généralité, et que le niveau de tension peut s'exprimer par des formules. Il est à présent possible d'affirmer une lois simple relative à la relation entre courant et tension.

Sans tension, il ne peut pas exister de courant. En revanche, une tension sans courant est possible.


Circuits

L'alimentation d'un circuit (source de tension) est représenté par le symbole suivant.







Symbole d'une source de tension

Les symbole + et - sont parfois écrits à proximité des bornes correspondantes. Dans la plupart des cas, comme ici, nous avons représenté une seule borne de cette façon, ce qui est bien entendu suffisant. Le symbole normalisé de l'ampoule est illustré ci-dessous.







Symbole de l'ampoule

Observez ci-dessous un circuit très simple et très connu, mettant en action une ampoule. Le circuit est représenté ici est fermé et un courant circule.







Circuit électrotechnique simple

Vous pouvez observer le sens du courant, désigné par la flèche rouge. Si nous observons les polarités de la source de tension, il est possible de formuler l'affirmation suivante.

Pour exprimer le sens conventionnel du courant dans un circuit, nous considérons seulement la direction des charges positives, c'est à dire du + au -. En d'autres termes, le courant se déplace du + au -.


Résistivité

Comme nous l'avons démontré plus haut, les atomes oscillent plus intensément avec l'augmentation de la température. Ces oscillations entravent le passage du courant. Ainsi, plus le cuivre est chaud, moins il conduit le courant. On dit que le conducteur à "une plus grande résistance" quand il est chaud que quand il est froid.

La résistance d'un conducteur ou d'un composant est la force à laquelle il s'oppose au passage du courant. Son unité est le Ohm [].


Bien entendu, un conducteur ou un composant présente une résistance aussi à température ambiante. Il existe une relation entre la résistivité d'un conducteur, sa longueur, et sa section. Cela peut bien entendu s'exprimer par des formules. La formule du calcul de la résistance d'un conducteur est donnée ci-dessous.


    OU     

R: Résistance []
l: Longueur [m]
A: Section []
: Résistivité à 20:
: Conductivité à 20:


Formules du calcul de la résistance d'un conducteur. Chaque matière à une valeur qui lui est propre. La valeur cuivre est de 0,0175. Ces valeurs sont données en annexe.

Calculons de la résistance d'un fil de cuivre d'une longueur de 20 mètres et d'une section de 0,5 :






Application de la formule de la résistance d'un conducteur

Il existe d'autres équations permettant de calculer la variation de la résistivité avec la température, et la résistance après élévation ou diminution de la température. Ces équations sont données ci-dessous.





: Différence de résistance []
: coefficient de température (cuivre: 0,004) []
: Différence de température []

: Résistance de départ à 20: []
: Résistance finale à une température donnée: []


Equations des variations de la résistivité avec la température

Quelle est la résistance finale lorsqu'on soumet une résistance de 120 à une augmentation de 50?







Application de la formule de variation de la résistance avec la température

Conductance

La conductance est l'inverse de la résistance. Elle exprime la faculté d'un matière à conduire le courant. Son symbole normalisé est G, et son unité est le Siemens (S). Mathématiquement, la conductance se calcul exactement par l'inverse de la résistance, comme illustré. Le concept de conductance est d'une importance moindre que celui de la résistance, et il est possible que vous ne l'utilisiez pas.


G: conductance [S]
R: Résistance: []

Formule de la conductance

Résistance comme composant

La résistance est le composant électronique le plus utilisé. Son but est de contrôler le niveau de courant. Son symbole est le suivant.







Symbole normalisé de la résistance

Les valeurs que peut prendre une résistance sont très variées. Nous trouvons des résistances de presque toutes les valeurs. Ci-dessous, veuillez observer le composant mentionné, tel qu'il se présente dans la majorité des circuits électroniques.









Exemples résistances

Résistances

Les résistances les plus simples sont un fil conducteur d'un longueur voulue enroulé autour d'un corps en céramique. Comme nous l'avons vu précédemment, nous pouvons aisément calculer la résistance d'un fil avec sa longueur. La résistance dite "bobinée" est donc simplement un fil d'une longueur calculée et voulue, enroulée autour du corps (cylindre) en céramique. Toutefois, nous n'utilisons pas un matériaux "pur" dans cette application, mais un alliage de métaux afin de diminuer le nombre de spires nécessaires. Un verni est appliqué sur toute la longueur du fil pour que les spires n'entrent pas en contact les unes avec les autres.

Un autre type de résistance, dit "à couche" est bien plus courant et utilisé que le type de résistance dit "bobiné". Les résistances à couche sont constituées d'un tube cylindrique sur lequel est appliqué un mélange de semi-conducteur, notamment le carbure de silicium ou le carbure de bore. La valeur de la résistance est donnée en fonction du dosage exact du mélange. Il s'agit du type de résistance habituellement utilisé.

Circuits équivalents de résistances

Si des résistances sont placées et série (les unes après les autres) dans un circuit, la résistance équivalente est l'addition de toutes les résistances, comme illustré.

Circuit série

Dans ce type de circuit, le courant est le même partout. La tension, en revanche varie d'une résistance à l'autre, en fonction de leur valeur. La valeur de R est donnée ainsi: R=R1+R2+R3. La résistance équivalente est donc simplement obtenue avec l'addition des résistances. Dans le cas d'un circuit parallèle, les résistances sont placées parallèlement, et leurs extrémités se touchent, comme illustré.


Circuit de résistances en parallèle

Dans ce cas, la résistance équivalente est donnée par la formule suivante.


Calcul de la résistance équivalente dans un circuit parallèle

Dans ce type de circuit, la courant est réparti selon les valeurs des résistances. La tension, en revanche, est la même partout. Si nous voulons calculer la résistance équivalente de résistances de 120, 820 et 460, nous procédons comme suit.


Exemple d'application de la formule des résistances en parallèle

La loi d'Ohm

La loi d'Ohm est la formule la plus importante et la plus utilisée de toute l'électronique et l'électrotechnique. Elle décrit la relation qu'il existe entre le courant, le tension et la résistance. La formule et ses variantes sont illustrées ci-dessous.

                       

U: Tension [V]
I: Courant [A]
R: Résistance []

Equations de la loi d'Ohm, d'une importance capitale en électronique

A titre d'exemple, nous allons calculer ci-dessous, tous les courants et toutes les tensions du circuit parallèle et série.

Circuit sérieCircuit parallèle
Nous devons d'abord calculer la résistance totale. Nous la calculons comme suit.



Rappelez-vous que, dans ce type de circuit, le courant est le même partout. Nous devons donc le calculer.



Nous sommes maintenant en mesure de calculer la tension sur chacune des résistances avec le courant total.




 Nous devons d'abord calculer la résistance totale. Nous la calculons comme suit.



Rappelez-vous que, dans ce type de circuit, la tension est la même partout (4,5V). Nous devons donc calculer le courant total.



Nous sommes maintenant en mesure de calculer le courant sur chacunes des résistances avec la tension de 4,5V.

Application de la loi d'Ohm

La puissance

La puissance exprime l'énergie consommée dans un circuit. Elle dépend à la fois du courant et de la tension, comme nous allons le voir plus bas.

La puissance est l'énergie transportée dans un circuit. Elle dépend du courant et de la tension. Son unité est le Watt [W].

Il existe une série d'équations permettant de calculer la puissance. Celles-ci sont données ci-dessous


                       


Formules du calcul de la puissance

Formules dérivées:


                       

                       


P: Puissance [W]
I: Courant [I]
U: Tension [V]
R: Résistance []

Formules dérivées du calcul de la puissance

Nous allons à présent calculer la puissance consommée par le circuit parallèle dans lequel nous avons déjà calculé les courants et tensions. Par application de la formule, nous obtenons le résultat suivant.


Exemple d'application de la formule de la puissance

Nous utilisons la notion de puissance pour exprimer la consommation électrique de tout type de matériel électrique ou électronique. Par exemple, une ampoule économe consomme 9W (basse puissance), un téléviseur à tube cathodique 100W, un ordinateur 40W, et un radiateur électrique entre 2000 et 3000W (haute puissance).

Pour aller plus loin

Un Watt correspond à un transfert d'énergie de 1 joule pendant 1 seconde. Cette unité porte le nom de l'ingénieur écossais James Watt (1736 - 1819).
Un Ampère est l'intensité de courant constant dans deux conducteurs linéaires parallèles, qui produirait entre eux une force de Newton par mètres linéaires. La section des conducteurs est négligée, et leur longueur est supposée infinie. Cette unité porte le nom du physicien français André-Marie Ampère (1775-1836).
Un Volt est la différence de potentiel existante entre deux point d'un conducteur dans lequel l'intensité du courant est de 1A et la puissance dissipée est de 1W. Cette unité porte le nom du physicien italien Alessandro Volta (1745-1827).
Un Ohm est la résistance existante entre deux point d'un conducteur sur lequel est appliquée une tension de 1V produisant un courant de 1A. Cette unité porte le nom du physicien allemand Georg Simon Ohm (1789-1854).

Les électrons ne font pas que tourner autour du noyau. Ils tournent aussi sur eux-mêmes. Ce mouvement est appelé "spin".

Le neutron, le proton et l'électron ne sont plus considérés aujourd'hui comme étant des particules élémentaires. Ils sont en effet constitués d'éléments encore plus petits, appelés quarks et gluons. L'étude de ces éléments appartient au domaine de la physique et n'est pas nécessaire en électronique.