Systèmes électriques

Signification des systèmes électriques

Tout d'abord, définissons ce que nous entendons exactement par système électrique.

Cela peut sembler vague à première vue, mais système électrique est une étiquette qui peut englober une grande variété d'objets différents du quotidien. Les téléphones, les ordinateurs et les réseaux électriques sont tous des systèmes électriques. Les deux grandeurs que l'on retrouvera toujours dans tout type de système électrique sont le courant et la tension, qui permettent de générer de l'énergie électrique.

Lorsque nous imaginons des électrons, nous pensons généralement à de très petits objets circulaires en orbite autour du noyau d'un atome dans un mouvement uniforme. En réalité, si l'on considère les électrons d'un morceau de métal, ils se déplacent de façon aléatoire à des vitesses extrêmement élevées. Cependant, le courant ne circule dans un système que lorsqu'il y a un mouvement net global des électrons et non pas seulement un mouvement aléatoire.

Ce flux net d'électrons est dû à la différence de potentiel électrique, ou à la tension entre les deux extrémités d'un fil. Ce phénomène est similaire à celui de l'osmose. Si nous avions une solution d'eau mélangée à du sel, reliée à une autre solution d'eau pure, séparée par une fine barrière perméable, la différence de concentration en sel forcerait la solution salée à se diffuser dans la solution d'eau pure. De même avec les électrons, si les deux extrémités d'un fil avaient des différences de potentiel différentes, cela forcerait les électrons d'une extrémité à se déplacer vers l'autre extrémité, générant ainsi un courant. Nous pouvons donc définir la tension comme suit.

Les éléments d'un système électrique

Maintenant que nous avons établi ce que nous entendons par système électrique, examinons les différentes pièces qui composent ces systèmes.

Résistance

Tout d'abord, examinons les résistances ; ces composants électriques ont une qualité appelée résistance. Nous pouvons définir la résistance comme suit.

Tous les matériaux présentent une certaine résistance. Toutefois, lorsque nous étudierons les circuits électriques à l'avenir, nous supposerons que les composants tels que les fils, les ampèremètres et les voltmètres ont une résistance nulle, sauf indication contraire. L'équation utilisée pour calculer la résistance d'une résistance est la suivante

\[ R = \frac{V}{I} ,\]

où \(R\) est la résistance mesurée en ohms \(Omega\), \(V\) est la tension aux bornes des composants électriques mesurée en volts \(\mathrm{V}\), et \(I\) est le courant traversant le composant mesuré en ampères \(\mathrm{A}\). Cette équation est également appelée loi d'Ohm.

Fig. 2 - Lorsque l'on dessine des circuits électriques, les résistances sont représentées par une ligne en zigzag.

Condensateur

Les condensateurs sont un autre composant important des systèmes électriques. Ces composants sont utilisés pour stocker l'énergie potentielle électrique par la séparation physique de charges opposées sur des plaques conductrices, ce qui entraîne la formation d'un champ électrique entre les deux plaques.

Les condensateurs peuvent se présenter sous différentes formes. Cependant, celui que nous rencontrons le plus souvent lorsque nous étudions la physique est le condensateur à plaques parallèles. En se référant à la figure ci-dessous, on peut voir que la forme d'un condensateur à plaques parallèles est constituée de deux plaques conductrices avec une magnitude de charge \(Q\) sur chaque plaque, séparées par une petite distance \(d\). Lorsqu'un condensateur est connecté à une source d'énergie, le courant dans le circuit crée une accumulation d'électrons d'un côté du condensateur, ce qui crée une séparation de charge.

Fig. 3 - Structure d'un condensateur à plaques parallèles.

Pour mesurer la quantité d'énergie potentielle électrique stockée dans un condensateur, nous définissons sa capacité.

Nous pouvons calculer l'énergie stockée dans un condensateur comme suit

\[ U_{\text{C}} = \frac{1}{2} Q \Delta V ,\]

où \(U_{text{C}}\) est l'énergie stockée dans le condensateur mesurée en joules \(\mathrm{J}\), \(Q\) est l'ampleur de la charge stockée sur chaque plaque mesurée en coulombs \(\mathrm{C}\), et \(\Delta V\) est la différence de potentiel à travers le condensateur mesurée en volts \(\mathrm{V}\).

Inducteur

Enfin, un inducteur est un composant électrique qui utilise le courant dans un circuit pour générer un champ magnétique. Tu as peut-être déjà rencontré le terme d'induction dans des objets du quotidien comme une plaque à induction. Ces objets utilisent le phénomène d'induction électromagnétique pour générer de la chaleur.

Un exemple d'inducteur électrique est le transformateur ; il permet d'abaisser de grandes tensions provenant des réseaux électriques en des tensions plus petites qui peuvent être utilisées dans les objets quotidiens des ménages. D'un autre côté, le processus peut également être inversé pour permettre à des tensions plus faibles d'être transformées en tensions plus élevées. Les transformateurs sont donc très utiles pour transporter de l'énergie à travers des systèmes électriques qui peuvent nécessiter une tension d'une magnitude très différente.

Fig. 4 - Structure d'un transformateur abaisseur de tension.

L'équation d'un transformateur est la suivante

\[ \frac{V_{\text{p}}}{V_{\text{s}}} = \frac{N_{\text{p}}}{N_{\text{s}} ,\]

où \(V_{{text{p}}\) et \(V_{text{s}}\) sont la tension aux bornes du conducteur primaire et secondaire respectivement, mesurée en volts \(\mathrm{V}\). Dans la partie droite, \(N_{\text{p}}\) et \(N_{\text{s}}\) sont respectivement le nombre de tours du côté primaire et du côté secondaire.

Exemples de systèmes électriques

Considérons maintenant un exemple de système électrique, un circuit dans ta maison utilisé pour prendre le courant des lignes électriques principales et allumer les lumières de ta maison. Nous représentons cela dans la figure ci-dessous sous la forme d'un schéma de circuit.

Fig. 5 - Le transformateur abaisseur de tension prend l'énergie électrique du réseau électrique et la fournit aux ampoules d'une maison.

Ici, nous avons un transformateur abaisseur qui convertit l'énergie du réseau électrique en tensions sûres pour un usage domestique. Il sert ensuite de source d'énergie pour les trois ampoules connectées en parallèle. Le fait que les ampoules soient allumées ou éteintes dépend de l'interrupteur connecté au circuit : lorsqu'il est fermé, toutes les ampoules sont alimentées en énergie, et lorsqu'il est ouvert, les ampoules sont éteintes. Ceci est un exemple de système électrique que l'on peut trouver dans de nombreux foyers domestiques.

Systèmes d'alimentation électrique

Enfin, un système électrique est un type spécifique de système électrique qui est utilisé pour transporter l'énergie électrique et sert d'alimentation à d'autres systèmes électriques. Nous avons déjà rencontré un exemple de système électrique sous la forme d'un réseau électrique national qui est utilisé pour transporter l'énergie électrique d'une centrale électrique vers les foyers du pays.

Un aspect important des systèmes d'alimentation électrique est la fourniture d'énergie qui est ensuite convertie en énergie électrique. Voici quelques exemples de sources d'énergie

• Les combustibles fossiles tels que le charbon, le gaz et le pétrole

• Les éoliennes

• l'énergie nucléaire

• les panneaux solaires

• L'énergie géothermique

• Énergie hydroélectrique

Toutes ces sources d'énergie génèrent de l'énergie d'une manière qui leur est propre. Cependant, la conversion en énergie électrique est similaire dans tous les cas. L'induction électromagnétique est un facteur clé de la conversion en énergie électrique, car elle permet d'induire une force électromotrice par le mouvement d'un champ magnétique. Les appareils appelés générateurs utilisent l'énergie exploitée à partir de ces différentes sources d'énergie pour déplacer ou faire tourner un électro-aimant. Ainsi, cela crée un champ magnétique changeant autour de l'électro-aimant, ce qui permet de récupérer de l'énergie électrique lorsqu'il est placé à côté d'un conducteur.

Systèmes d'électricité solaire

Enfin, examinons un exemple spécifique de systèmes d'énergie électrique, les systèmes d'électricité solaire. Pour collecter l'énergie solaire, nous disposons de cellules photovoltaïques qui sont placées dans des zones directement exposées à la lumière du soleil. Ces dispositifs sont constitués d'un matériau semi-conducteur, le silicium. En raison de la structure du silicium, les électrons du matériau sont très faiblement liés à leur atome, ce qui les rend faciles à déloger. Lorsque la lumière est projetée sur les cellules, les photons qui composent les rayons lumineux interagissent avec les électrons en orbite, ce qui a pour effet de les déloger. Ces électrons libres se comportent alors comme un courant, transportant l'énergie électrique entre les cellules et dans nos maisons.

Fig. 6 - Les panneaux solaires sont des exemples de systèmes électriques.