L'électricité est la manifestation d'une des propriétés les plus universelles de la matière, la charge électrique.

L'électricité est la manifestation d'une des propriétés les plus universelles de la matière, la charge électrique. Connue de tout temps des hommes grâce au spectacle de la foudre, elle n'a été domestiquée que depuis cent cinquante ans, mais la part qu'elle a prise dans notre vie est telle qu'il est maintenant inimaginable de s'en passer. Facile à produire, à transporter et à utiliser, elle serait la forme idéale de l'énergie à l'usage de l'homme si l'on en maîtrisait aussi le stockage. L'électricité est l'ensemble des phénomènes liés à l'existence de charges électriques et à leurs interactions. Le mot « électricité « vient du grec elektron, qui désigne l'ambre jaune. Cette résine végétale était connue des anciens Grecs pour sa propriété, qu'elle acquiert par frottement, d'attirer les objets légers. Au cours des XVIIe et XVIIIe siècles, grâce aux travaux d'Otto von Guericke et de Dufay de Cisternay, la notion de charge électrique apparaissant par frottement s'est précisée, ainsi que l'existence de deux sortes d'électricité antagonistes, nommées vitreuse et résineuse. À partir de la fin du XVIIIe siècle, et notamment des travaux de Charles de Coulomb, l'électricité a cessé d'être une curiosité de salon pour devenir objet de recherche scientifique. À l'aube du XIXe siècle, la pile de Volta rendit possible l'utilisation de courants électriques intenses qui donnèrent accès aux phénomènes électromagnétiques, étudiés notamment par Christian Jrsted, André Ampère et Michael Faraday. En même temps qu'apparaissaient les premières applications industrielles (machine de Gramme), la théorie complète et cohérente de l'électromagnétisme se bâtissait grâce à James Maxwell, et les ondes électromagnétiques qu'elle avait prédites furent découvertes par Heinrich Hertz. Les connaissances nouvelles sur la structure de la matière permirent à Hendrik Lorentz de comprendre l'origine microscopique de l'électricité. Au XXe siècle, l'électricité a pénétré dans toutes les branches d'activité, et est devenue un des moteurs du progrès technique et de l'évolution sociale. En même temps, les théories quantiques, élaborées notamment par Albert Einstein, Niels Bohr et Wolfgang Pauli, donnèrent une explication des phénomènes électriques déjà connus, comme la conductibilité des métaux, et permirent d'en prévoir de nouveaux, comme l'effet transistor (étudié par John Bardeen et William Shockley). Le phénomène de supraconductivité, compris après de longs tâtonnements par John Bardeen, Leon Cooper et John R. Schrieffer, laisse périodiquement miroiter l'espoir de développements techniques spectaculaires. Devant l'importance de la demande, les moyens de production d'électricité se sont diversifiés, et notre monde en est aujourd'hui totalement tributaire. Il faut souhaiter que cette dépendance ne soit pas trop lourde de conséquences pour l'avenir de la planète. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats ambre jaune Ampère André Marie Bardeen John Bohr Niels Cooper Leon N. Coulomb (Charles de) Dufay de Cisternay Charles François Einstein Albert Faraday Michael Gramme Zénobe Guericke (Otto von) Hertz Heinrich Lorentz Hendrik Antoon Maxwell James Clerk Pauli Wolfgang quantique (physique) Schrieffer John Robert Shockley William Bradford supraconductivité techniques (histoire des) - La révolution industrielle transistor Volta Alessandro Les lois de l'électrostatique L'existence des charges électriques. Il existe deux sortes de charges électriques, arbitrairement désignées comme positive et négative. Chaque atome contient ces deux sortes de charges en quantités strictement égales, la partie positive étant portée par le noyau et la partie négative par les électrons. Toutes les manifestations électriques observées dans l'Univers proviennent des interactions entre ces charges. Tous les électrons de l'Univers portent exactement la même charge, qui vaut, à la précision des mesures actuelles (1,60210 ± 0,00002) .10 -19 coulomb. Presque toujours, sur la Terre, une charge négative provient d'un excès d'électrons, une charge positive d'un défaut d'électrons, mais on sait également créer en laboratoire des charges positives à l'aide d'électrons positifs (positrons). La charge électrique est une grandeur qui se conserve en toute circonstance. On ne peut ni créer, ni annihiler une charge sans faire simultanément la même chose pour une charge de même valeur, mais de signe opposé. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats charge électrique coulomb électron positron La loi de Coulomb. Deux charges électriques exercent l'une sur l'autre une force, dirigée suivant la droite qui les joint ; cette force est répulsive si les charges sont de même signe, attractive dans le cas contraire. L'expression de cette force est donnée par la loi de Coulomb, dont la formulation mathématique est : Q1 et Q2 sont les valeurs exprimées (en coulombs) de deux charges situées à d mètres l'une de l'autre ; Ð est le vecteur de longueur unité qui oriente la droite joignant les charges. Le facteur est un coefficient numérique qui vaut 8,98755178.10 +9. La force est d'autant plus faible que les charges sont plus éloignées, mais elle ne vaut jamais zéro, quelle que soit la distance. La portée de la force de Coulomb est infinie. La loi de Coulomb est additive, ce qui signifie que la force exercée par un ensemble de charges sur une charge test est la somme des forces individuelles de chacune des charges. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats charge électrique Coulomb (Charles de) force Le champ électrique. Pour expliquer cette action à distance entre deux charges, qui s'exerce sans aucun support matériel, on a créé la notion abstraite de champ électrique : on admet que toute charge électrique modifie l'espace qui l'entoure de telle sorte qu'une autre charge, plongée dans cet espace modifié, ressent une force proportionnelle au champ en ce point, dont la valeur est précisément celle que donne la loi de Coulomb. Il s'agit d'un artifice mathématique, car la seule grandeur mesurable est la force, mais il est tellement utile que son emploi est universel. Le champ créé par la charge Q2 au site de la charge Q 1 a pour expression : La force qui s'exerce sur Q1, A = Q1:, est bien conforme à la loi de Coulomb. Ces définitions permettent, grâce à des développements mathématiques simples et efficaces, de calculer le champ électrique dans un grand nombre de situations. L'électrostatique constitue le chapitre le plus achevé de la physique classique. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats champ - 2.PHYSIQUE champ - 2.PHYSIQUE - Le champ électrique charge électrique électrostatique Le potentiel électrique. Pour calculer le travail produit par la force électrique appliquée à une charge qui se déplace, on a introduit la notion de potentiel électrique. En effet, on démontre que ce travail ne dépend pas de la façon dont se déplace la charge, mais uniquement de la position de ses points de départ et d'arrivée. En présence de charges, donc de champ électrique, on peut attribuer à chaque point P de l'espace une valeur VP du potentiel, de telle sorte que, si l'on déplace une charge Q d'un point A à un point B, le travail des forces électriques vaudra W = Q (VA - VB ). Dire qu'il existe une différence de potentiel de 220 V entre les deux plots d'une prise de courant signifie exactement que les forces électriques produiront un travail de 220 J si l'on transporte 1 coulomb d'un plot à l'autre. C'est précisément ce qui se passe dans un fer à repasser, dont la résistance a été calculée pour que 1 coulomb la traverse chaque seconde, dégageant une puissance de 220 W sous forme de chaleur. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats coulomb différence de potentiel différence de potentiel - 1.PHYSIQUE joule potentiel - 1.PHYSIQUE résistance watt Conducteurs et isolants. Les charges électriques peuvent être libres dans l'espace ; c'est le cas des gerbes de protons et d'électrons émises par le Soleil, mais elles sont souvent retenues à l'intérieur de la matière, où leur circulation est plus ou moins libre. Dans le cas extrême où elles sont complètement liées aux atomes, sans aucune possibilité de déplacement, on a un isolant parfait, ce qui est presque le cas pour certains cristaux comme le quartz. Dans le cas opposé où rien n'entrave leur déplacement, on a un conducteur parfait (monocristal de cuivre parfaitement pur à 0 Kelvin). Libres de se déplacer, des charges de même signe s'éloignent les unes des autres. Dans un conducteur, elles le font jusqu'à ce qu'elles en rencontrent la surface, où elles s'accumulent ; donc, dans un conducteur en équilibre, les charges sont uniquement superficielles. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats charge électrique conducteur isolant Kelvin (William Thomson, lord) quartz Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats charge électrique électron électrostatique force Les livres électricité électricité électricité électricité électricité - le courant électrique, page 1615, volume 3 conduction métallique, page 1615, volume 3 conduction dans un gaz, page 1615, volume 3 champs électrique et magnétique, page 1615, volume 3 conduction ionique, page 1615, volume 3 Les charges en mouvement : le courant Soumises à un champ électrique, les charges contenues dans un conducteur se mettent en mouvement. Ce déplacement global constitue un courant électrique. Le sens du courant est défini arbitrairement par celui de l'écoulement des charges positives, donc le sens inverse de celui de l'écoulement des charges négatives. Un courant circulant en permanence dans le même sens est dit continu ; il est dit alternatif lorsque son sens change périodiquement. L'écoulement régulier de 1 coulomb par seconde représente un courant de 1 ampère. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats alternatif (courant) champ - 2.PHYSIQUE - Le champ électrique conducteur continu (courant) courant La loi d'Ohm. L'existence, même dans de bons conducteurs, d'entraves, au niveau atomique, à la circulation des charges fait que le mouvement global de ces charges est en permanence freiné, qu'il faut en permanence appliquer une force, donc un champ électrique, pour l'entretenir. Ce champ électrique ne peut lui-même provenir que de l'application d'une différence de potentiel entre les extrémités du conducteur où circule le courant. La proportionnalité entre courant et différence de potentiel traduit la loi d'Ohm : V = RI. Le coefficient R, qui dépend de la géométrie et de la nature du conducteur, est appelé sa résistance, exprimée en ohms ([). La puissance dissipée sous forme de chaleur par les charges lors de leur déplacement dans le conducteur s'exprime par la loi de Joule : On peut associer des résistances de multiples façons pour constituer des circuits. La conservation des charges et la loi d'Ohm permettent de prédire les valeurs des grandeurs électriques le long des différentes branches du circuit. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats champ - 2.PHYSIQUE - Le champ électrique différence de potentiel - 1.PHYSIQUE force Joule James Prescott Ohm Georg Simon Pouillet Claude Servais Mathias résistance L'électromagnétisme Champs magnétiques et courants. L'existence d'un courant électrique modifie l'espace environnant en créant un champ magnétique dont l'effet, entre autres, est d'exercer une force sur un autre courant. Si les deux courants sont portés par des fils parallèles, la force est attractive ou répulsive suivant qu'ils sont de même sens ou de sens opposé. L'unité de courant, l'ampère, est définie à partir de cette force ; l'ampère apparaît ainsi comme l'unité fondamentale de l'électromagnétisme, à partir de laquelle sont dérivées toutes les autres. Les aimants, comme l'aiguille aimantée d'une boussole, mais aussi la Terre et le Soleil, sont des morceaux de matière ayant la propriété de créer dans l'espace qui les entoure des champs magnétiques en tous points identiques à ceux qu'engendrent les courants. Les aimants exercent donc une force sur des courants circulant dans leur voisinage et, réciproquement, subissent des forces de la part de ces courants. Ces forces servent à transformer l'énergie électrique en énergie mécanique dans les moteurs. Un anneau métallique qu'on déplace au voisinage d'un aimant est parcouru par un courant aussi longtemps que dure le mouvement. C'est le phénomène d'induction. On l'observe également si l'on fait varier le champ magnétique qui traverse l'anneau, celui-ci étant immobile, soit en déplaçant un aimant, soit en faisant varier le courant dans un conducteur voisin de l'anneau. La loi de l'induction, énoncée en 1836 par Michael Faraday, relie la force électromotrice d'induction e, qui apparaît dans l'anneau, à la variation du flux magnétique qui le traverse (le flux à travers une surface S d'un champ magnétique uniforme B perpendiculaire à S vaut F = BS) par la relation e = L'induction, qui permet d'engendrer des courants à partir de l'énergie mécanique, a ouvert la voie au développement et aux applications industrielles de l'électricité. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats aimant champ - 2.PHYSIQUE champ - 2.PHYSIQUE - Le champ électromagnétique champ - 2.PHYSIQUE - Le champ magnétique courant électromagnétisme Faraday Michael induction - 2.PHYSIQUE magnétisme - 1.PHYSIQUE moteur - Introduction Les médias magnétisme terrestre Les générateurs électriques. On appelle générateurs électriques l'ensemble des appareils capables de créer et d'entretenir une différence de potentiel entre deux conducteurs reliés à un circuit. Tous utilisent une forme d'énergie extérieure pour séparer des charges de signe contraire et les aiguiller vers des conducteurs distincts, entre lesquels l'utilisateur connecte ses circuits. Les générateurs statiques utilisent des principes dérivés de l'électrostatique (électrisation par frottement) ; ils fournissent des différences de potentiel élevées (jusqu'à plusieurs millions de volts), mais des courants en général faibles. On les utilise exclusivement dans les laboratoires, mais on peut classer un nuage d'orage dans cette catégorie ; les courants (éclairs) dans ce cas sont considérables. Les générateurs chimiques fonctionnent de la façon suivante : on demande à une réaction chimique (en général d'oxydo-réduction) de fournir l'énergie de séparation des charges, qui se produit généralement à l'interface entre des électrodes et une solution ionique, sous forme d'un transfert d'électron entre électrode et ion. Lorsque la réaction est réversible, on a affaire à un accumulateur, sinon c'est une pile. Les générateurs électromagnétiques utilisent l'induction ; ils consomment de l'énergie mécanique pour faire tourner des aimants (en général des électroaimants) devant des bobines fixes, aux bornes desquelles apparaît une force électromotrice d'induction. On distingue les dynamos, qui fournissent du courant continu, et les alternateurs, générateurs de courants alternatifs. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats alternateur circuit électrique différence de potentiel - 1.PHYSIQUE dynamo électroaimant excitatrice générateur - 1.ÉLECTRICITÉ génératrice pile électrique réversible (réaction) Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats bobine électrode électromagnétisme excitatrice flux - 1.PHYSIQUE génératrice induction - 2.PHYSIQUE Les médias électricité - grandeurs et unités électromagnétiques Les livres électricité - grandeurs et unités électromagnétiques, page 1616, volume 3 Les applications industrielles de l'électricité Le choix du courant alternatif. La production, le transport et la distribution de l'électricité s'effectuent exclusivement sous forme de courant alternatif, qui permet seul d'élever la tension des générateurs à celle des réseaux d'interconnexions nationaux et internationaux, puis de l'abaisser au niveau des tensions des réseaux d'interconnexions régionaux, de distribution locale aux sous-stations des usines ou des centres urbains, et des tensions finales d'utilisation, en ayant recours à des appareils très simples et purement statiques : les transformateurs. Les transports à longue distance s'effectuent à la plus haute tension économiquement accessible, afin de limiter les intensités transportées, donc les pertes, dont la principale est proportionnelle au carré de l'intensité. La plus basse tension distribuée correspond aux usages domestiques. Ces deux valeurs extrêmes sont respectivement de 400 000 V et de 220 V en France. La supériorité essentielle du courant alternatif sur le courant continu ainsi mise en évidence est renforcée par des avantages complémentaires : plus grande facilité de réalisation des grands disjoncteurs de lignes, qui doivent pouvoir couper des puissances de court-circuit considérables ; isolement électrique relatif des éléments de réseaux reliés par des transformateurs ; décroissance des puissances de court-circuit aval au fur et à mesure que l'on descend les niveaux de tension vers la distribution finale. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats alternatif (courant) chemin de fer - L'électrification continu (courant) disjoncteur ligne électrique secondaire sous-station transformateur Les livres électricité - lignes et pylône à haute tension, page 1614, volume 3 électricité - transport d'énergie électrique sur de longues distances, page 1619, volume 3 électricité - poste électrique d'interconnexion et de transformation, page 1619, volume 3 Le choix du courant triphasé. Le monde entier a adopté la distribution triphasée pour la raison suivante : toute distribution polyphasée permet de bénéficier de la technique simple, économique et robuste, des moteurs à champ tournant dans leurs versions synchrone et asynchrone. Pour obtenir un champ tournant, il est inutile de multiplier le nombre de phases ; deux, notamment, suffisent. Mais la distribution d'un courant diphasé demande quatre conducteurs de puissance, alors que la distribution de trois phases n'en demande que trois ; tout nombre de phases impair permet en effet, sur chaque appareil utilisateur, de mettre en commun entre elles un point dit « neutre « à tension nulle, qui n'a donc pas besoin d'être relié par un conducteur au point neutre des générateurs. Ainsi, la distribution polyphasée la plus simple est la distribution triphasée à trois conducteurs. Seuls les réseaux de distribution domestique à 220 V comportent un quatrième conducteur pour le neutre, car la plupart des abonnés, qui n'utilisent pas de moteurs à champ tournant, sont alimentés en monophasé entre une phase et le neutre ; le conducteur neutre véhicule alors les courants d'équilibrage entre utilisateurs et ne ramène au transformateur qu'un éventuel courant de déséquilibre résiduel. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats asynchrone chemin de fer - L'électrification diphasée (distribution) monophasé (courant) terre - 2.ÉLECTRICITÉ triphasé (courant) L'équilibre des réseaux. Tous les alternateurs et moteurs synchrones d'un réseau en équilibre tournent rigoureusement à la même vitesse de 3 600 tr/min en Amérique du Nord et de 3 000 tr/min partout ailleurs (notamment en Europe), lorsqu'ils possèdent une paire de pôles rotoriques, ou bien à des sous-multiples entiers n de ces vitesses s'ils possèdent n paires de pôles. Ces vitesses correspondent respectivement aux fréquences de 60 et de 50 Hz. Les moteurs asynchrones tournent aux mêmes vitesses, diminuées d'un léger glissement. La somme des puissances actives (pour lesquelles la tension est en phase avec le courant) et la somme des puissances réactives (pour lesquelles la tension est en quadrature avec le courant) délivrées par les alternateurs d'un réseau sont respectivement égales aux puissances actives et réactives appelées (consommations effectives augmentées des pertes). Le critère d'équilibre des puissances actives est la fréquence du courant, donc la vitesse des machines synchrones ; celui des puissances réactives est la tension du courant produit. Tout turboalternateur est ainsi muni d'un régulateur de vitesse pilotant la puissance mécanique délivrée par la turbine et d'un régulateur de tension pilotant l'intensité d'excitation rotorique de l'alternateur, régulateurs dont l'action est complétée par les instructions d'ajustage fin données aux centrales de réglage par le dispatching central du réseau. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats alternateur asynchrone réseau turboalternateur Les livres électricité - salle des commandes du poste de distribution national de Nantes, page 1619, volume 3 La protection des réseaux. Les réseaux de transport et de distribution sont sujets à incidents ou accidents. Les défauts sont détectés par des relais spécialisés qui déclenchent l'isolement du tronçon de ligne concerné entre deux postes électriques. L'incident le plus fréquent est le foudroyage d'une ligne aérienne et l'amorçage d'un arc entre une phase et la terre (contournement d'un isolateur vers le pylône support), ou entre phases. Des dispositions spéciales sont prises pour limiter les conséquences de tels incidents sur la fiabilité de la distribution : réenclenchement automatique de la ligne en cause, dans certains cas relativement bénins ; constitution de réseaux maillés assurant la continuité électrique (même en cas d'isolement de certains de leurs éléments). Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats disjoncteur ligne électrique réseau Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats éclairage électrochimie électrotechnique régulateur relais - 1.ÉLECTRICITÉ var (volt-ampère-réactif) Les livres électricité - applications industrielles de l'électricité, page 1618, volume 3 La production française d'électricité Depuis la mise en service de la première usine hydroélectrique française en 1868, la production française d'électricité a augmenté en fonction de deux facteurs : la demande d'énergie, fortement dépendante de l'activité économique, et la substitution entre sources d'énergie, liée en particulier au déclin du charbon. La production française d'électricité s'élevait en 1992 à 462,2 milliards de kWh. Elle provenait de trois sources principales : les centrales nucléaires, pour 73 %, installées surtout sur le Rhône (Le Bugey, Tricastin, Marcoule), la Loire (Saint-Laurent-des-Eaux, Dampierre), le Rhin (Fessenheim), ou dans le Nord et l'Est (Gravelines, Chooz) ; les centrales hydrauliques, pour 15 %, situées principalement dans les vallées du Rhône (Génissiat, Donzère-Mondragon), de la Durance (Serre-Ponçon), du Rhin, ou dans les Alpes ; les centrales thermiques, pour 11 %, présentes en particulier dans la région parisienne (Porcheville), l'Ouest (Le Havre, Cheviré), le Nord (Pont-sur-Sambre), l'Est (Blénod). Les autres sources (solaire, éolienne, etc.) apportent une contribution marginale. La société nationale EDF fournit environ 95 % de l'électricité en France. En raison de sa surcapacité nucléaire, EDF exporte une partie de sa production, variable selon la conjoncture. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats CEA (Commissariat à l'énergie atomique) Charbonnages de France (CdF) C hooz combustible nucléaire Donzère-Mondragon Durance EDF (Électricité de France) Fessenheim France - Géographie - La vie économique - L'industrie Génissiat Gravelines Havre (Le) Marcoule Rhin Rhône Saint-Laurent-Nouan Serre-Ponçon (lac de) Tricastin Les médias fission Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats attraction électromécanique électrométrie farad intensité isolation puissance - 2.ÉLECTRICITÉ wattheure Les médias électricité - à la recherche de nouvelles sources d'énergie électricité - production mondiale Les livres électricité - éclair au-dessus de Tanwork, page 1614, volume 3 Les indications bibliographiques L'Électricité : de la centrale au consommateur, Nouvelle Librairie, Paris, 1984. J.-P. Longchamp, Électricité, Masson, Paris, 1984. R. Salacroup, Électricité, Foucher, Paris, 1981. M. Souchon, l'Électricité, Gründ, Paris, 1983.