DESCRIPTION D’UN CIRCUIT ÉLECTRIQUE

Dans un premier temps, nous vous proposons de disséquer un circuit électrique, d’examiner la nature de ses composants et de scruter à la loupe ce qui se passe à l’intérieur des fils lorsqu’un courant y circule.

Composants d’un circuit

Un circuit électrique est une suite ininterrompue de composants (piles, ampoules, moteur, etc.) reliés par des conducteurs (fils électriques ou câbles). Les circuits les plus simples comprennent tous une alimentation ou source électrique, une charge qui consomme l’énergie fournie par la source et des fils conducteurs qui relient ces éléments. Les circuits comprennent également souvent un dispositif de commande et un composant de protection.

Voici le schéma général d’un circuit simple.

Dans cet exemple, une lampe de poche, dont l’ampoule joue le rôle de charge, est alimentée par une pile et le fonctionnement de l’ensemble est actionné par un interrupteur.

Chacun des composants joue un rôle particulier et remplit une fonction précise dans le circuit.

Source

Les piles, les batteries, les accumulateurs ou les générateurs génèrent la tension et fournissent ainsi le courant électrique au circuit. Ils alimentent les charges du circuit. La source est un fournisseur d’énergie. Elle utilise de l’énergie chimique ou mécanique, ou une autre forme d’énergie, et la transforme en énergie électrique.

Connaissez-vous la différence entre une pile et une batterie? Une pile ne contient qu’une seule cellule voltaïque dans laquelle se produit une réaction électrochimique. Souvenez-vous que c’est la réaction chimique entre deux métaux différents et une solution d’électrolyte qui crée une tension électrique. En raison de leurs propriétés électrochimiques, la plupart des piles génèrent une tension de 1,2 V ou de 1,5 V, selon la technologie employée. La batterie, quant à elle, est constituée d’au moins deux piles placées en série. Par conséquent, elle fournit une tension minimale de 2,4 V ou de 3 V. Dans le langage courant, on emploie souvent le terme «pile» pour désigner une batterie, ou l’inverse.

Charge

Le moteur, l’élément chauffant ou le luminaire reçoit l’énergie fournie par la source et la transforme pour produire un travail mécanique, de la chaleur ou de la lumière. La charge est un convertisseur d’énergie. Elle utilise l’énergie électrique fournie par la source pour la transformer en énergie thermique (chaleur), radiante (lumière), mécanique (moteur), etc.

Commande

Les interrupteurs et commutateurs (commandes manuelles) ont pour fonction d’ouvrir et de fermer le circuit sur commande.

Protection

Les fusibles et les disjoncteurs protègent le circuit contre les élévations anormales de courant (surintensités). Lorsqu’un courant anormalement élevé circule dans un circuit, le fusible ou le disjoncteur coupe automatiquement l’alimentation, c’est-à-dire qu’il ouvre le circuit. Cette protection empêche la surchauffe des conducteurs, ce qui réduit les risques d’incendie. La charge est également protégée contre une détérioration possible ou un bris.

Conducteurs

Les fils et les câbles assurent le transport de l’électricité en reliant les composants les uns aux autres.

Nature du courant électrique

Dans un circuit, les conducteurs «transportent» le courant électrique de la source à la charge. La source fournit une tension, les conducteurs la relient à la charge et, lorsque le courant circule, la charge transforme cette énergie électrique en chaleur, en lumière ou en mouvement. Mais que se passe-t-il dans un conducteur lorsqu’il «transporte» le courant? Qu’est-ce qui circule exactement? Pour répondre à ces questions, examinons de plus près la matière qui constitue le conducteur.

On sait déjà que les fils conducteurs sont en métal, le plus souvent en cuivre ou en aluminium, et qu’ils sont recouverts d’un matériau isolant, généralement du caoutchouc, du plastique ou des fibres synthétiques. Maintenant, imaginons que nous pouvons voir très profondément à l’intérieur du métal.

Structure de la matière

Considérons un bloc d’aluminium et coupons-le en deux parties une première fois; coupons de nouveau l’une des parties; répétons l’opération en coupant encore et encore, chaque fois, l’une des parties. La pièce deviendra bien vite trop petite pour être manipulée manuellement. Supposons que l’on poursuit tout de même l’opération des milliers et des milliers de fois. Jusqu’où pourrions-nous diviser le bloc? Jusqu’à ce qu’on obtienne la plus petite quantité d’aluminium qui soit; cette quantité s’appelle un atome d’aluminium (Al). L’atome est tellement petit qu’un bloc de 1 cm3 d’aluminium en contient plus de 25000 milliards de milliards!

Et à quoi ressemble ce minuscule atome d’aluminium? Est-ce une petite bille lisse ou une petite particule complexe? Les scientifiques ont découvert que l’atome, si petit soit-il, est constitué de particules encore plus petites appelées «protons», «neutrons» et «électrons», organisées selon une structure qui s’apparente à celle du système solaire. Et c’est grâce à cette structure particulière qu’il est possible de produire un courant électrique.

En simplifiant beaucoup, on peut dire que les protons et les neutrons sont regroupés dans un noyau très petit et très dense autour duquel gravitent les électrons, de petites particules, un peu à la manière dont les planètes orbitent autour du Soleil.

Les protons et les électrons sont des particules électriquement chargées alors que, comme leur nom l’indique, les neutrons sont neutres, c’est-à-dire sans charge électrique. Chaque proton représente une charge électrique positive et chaque électron, une charge négative équivalente. Les charges électriques de signes contraires se neutralisent mutuellement, c’est-à-dire qu’un ensemble formé d’un proton et d’un électron est électriquement neutre.

Par exemple, sachant que l’atome d’aluminium compte 13 protons et 13 électrons, c’est-à-dire 13 charges positives et 13 charges négatives, cet atome forme, dans son ensemble, une particule neutre.

Poussons plus loin notre réflexion. Qu’est-ce qui distingue un atome de cuivre (Cu) d’un atome d’aluminium? L’atome de cuivre et l’atome d’aluminium diffèrent par leur taille et les propriétés qu’ils possèdent, et, dans leur structure, par le nombre de protons et d’électrons qu’ils les constituent. Dans les faits, l’atome de cuivre renferme 29 protons et 29 électrons alors que l’atome d’aluminium contient seulement 13 particules de chaque type.

Outre les atomes de cuivre et d’aluminium, il existe d’autres sortes d’atomes qui contiennent aussi des électrons et des protons en quantités égales, mais leur nombre diffère du nombre d’électrons et de protons qu’on trouve dans l’atome de cuivre et l’atome d’aluminium. Par exemple, un atome d’hydrogène (H) contient un proton et un électron, un atome d’hélium (He), deux protons et deux électrons, un atome de carbone (C), six protons et six électrons, un atome d’oxygène (O), huit électrons et huit protons, et ainsi de suite. On appelle «élément» ces différentes variétés d’atomes. Ainsi, le cuivre, l’aluminium, l’hydrogène, l’hélium, le carbone et l’oxygène sont des éléments. Il existe, au total, 110 éléments différents qui forment, en se combinant de toutes sortes de façons, toute la matière qui nous entoure : l’air que nous respirons, l’eau que nous buvons, les rochers, les arbres, la brique, les pylônes, le verre et notre propre corps sont tous issus de ces 110 éléments. Comment est-ce possible? La diversité de ce qui nous entoure s’explique par les innombrables combinaisons possibles des atomes de ces éléments. Ces combinaisons sont des molécules. Par exemple, une molécule d’eau (H2O) contient deux atomes d’hydrogène (H) et un atome d’oxygène (O).

Conducteurs

Revenons aux atomes d’aluminium. À l’intérieur d’un bloc d’aluminium ou dans un fil électrique, les atomes sont entassés les uns sur les autres, disposés d’une façon bien ordonnée, et ils occupent des positions fixes. Or, rappelons que chaque atome s’apparente à un petit système solaire. Dans un métal, les électrons (négatifs) situés en périphérie des atomes, sur l’orbite la plus éloignée du noyau (positif), sont peu retenus par leurs noyaux respectifs. Ils sont donc relativement «libres d’attache», et ceux qui ont le plus d’énergie profitent de leur liberté pour se déplacer à l’intérieur du métal. Pour faire image, on peut dire que les électrons «sautillent» d’un atome à l’autre dans le métal, généralement de façon plus ou moins chaotique, dans toutes les directions.

Que se passe-t-il lorsqu’un courant électrique circule dans un conducteur? Soumis à une force appelée «tension électrique», les électrons libres sont déportés dans une direction particulière, ce qui produit un déplacement de charges négatives le long du conducteur. Ce déplacement d’électrons dans une direction privilégiée, déterminée par la tension, constitue le courant électrique. Le sens de déplacement des électrons définit ce qu’il est convenu d’appeler le sens du courant électronique.

Les atomes des métaux, comme ceux du cuivre et de l’aluminium, engendrent facilement des électrons libres, capables de circuler dans le métal. Pour cette raison, les métaux sont d’excellents véhicules pour les électrons. On dit qu’ils sont conducteurs parce qu’ils agissent comme des tuyaux dans lesquels peuvent circuler des électrons libres. Cette circulation d’électrons dans une direction particulière constitue le courant électrique. Notez cependant que, dans les faits, le courant circule surtout en périphérie du fil conducteur.

Isolants

Si l’on considère les caractéristiques électriques, il existe trois grandes catégories de matériaux : les conducteurs, les isolants et les semi-conducteurs. Nous venons de décrire ce qui se produit dans les matériaux conducteurs. Voyons maintenant ce qu’il en est des matériaux isolants.

Les caoutchoucs et les plastiques ont généralement d’excellentes propriétés isolantes. Pensez aux gaines qui recouvrent les fils pour bien les isoler et vous protéger des chocs électriques. À l’échelle atomique, le caoutchouc et les plastiques sont très différents du cuivre et de l’aluminium. Contrairement aux métaux, ils contiennent plusieurs sortes d’atomes et sont constitués de macromolécules qui, comme leur nom l’indique, sont de très grosses molécules. Les électrons des molécules des isolants sont fortement retenus, y compris ceux qui évoluent en périphérie des atomes. Ces matériaux ne contiennent donc pas d’électrons libres. Par analogie, disons que les électrons sont prisonniers des molécules auxquelles ils appartiennent, sans possibilité de se déplacer à l’intérieur du matériau. Or, sans circulation d’électrons, il n’y a pas de courant électrique! Ainsi, face aux électrons qui voudraient les traverser, les isolants forment un mur étanche qui leur bloque le passage.

En résumé, les électrons se déplacent facilement dans un conducteur, mais difficilement dans un isolant. Les conducteurs conduisent l’électricité et les isolants ne permettent pas le passage du courant. On utilise cette propriété des isolants pour canaliser le passage du courant dans les fils et les câbles électriques et, plus généralement, pour bloquer le passage du courant là où il n’est pas souhaitable qu’il circule.

Semi-conducteurs

Il existe une troisième catégorie de matériaux, appelés semi-conducteurs, qui se comportent ni tout à fait comme des conducteurs ni tout à fait comme des isolants. Ils contiennent des électrons libres, mais en moins grande quantité que les conducteurs, et leur liberté est plus restreinte. Les semi-conducteurs permettent donc le passage de faibles courants électriques; ils conduisent l’électricité environ un milliard de fois moins bien que les conducteurs, mais plusieurs milliards de fois mieux que les isolants. Ainsi, selon les conditions environnantes, ils tendent à se comporter soit comme des isolants, soit comme des conducteurs. Nous utilisons des matériaux semi-conducteurs pour qu’ils agissent comme l’un ou l’autre, selon nos besoins. On y parvient en contrôlant l’environnement du semi-conducteur.

Les propriétés particulières des semi-conducteurs sont largement exploitées en électronique. Le silicium et le germanium sont les semi-conducteurs les plus utilisés. Par exemple, grâce aux propriétés particulières de ces éléments, la diode devient un interrupteur ultrarapide dans de nombreux circuits électroniques. L’une de ses variantes, la diode électroluminescente, dont l’abréviation est DEL, sert de voyant lumineux sur bon nombre d’appareils et elle s’impose de plus en plus dans les systèmes d’éclairage modernes. Les transistors, les piles solaires (photopiles) et les mémoires des ordinateurs sont d’autres objets dans lesquels les semi-conducteurs sont utilisés, ce qui illustre bien la présence dominante de ces matériaux en électronique.

Production de l’électricité

Vous avez désormais une meilleure compréhension de ce qui se passe dans les conducteurs qui transportent le courant électrique d’un composant à l’autre dans un circuit. Voyons maintenant d’où vient ce courant et décrivons les conditions nécessaires pour le produire. Nous avons vu que le courant électrique est généré par une tension qui force la circulation des électrons dans un circuit. Les piles, les générateurs et les centrales électriques d’Hydro-Québec sont des sources de tension électrique. Avant d’analyser ces systèmes mis au point par l’être humain, intéressons-nous un instant à l’électricité statique, une forme d’électricité produite par la nature et dont la foudre est la manifestation la plus spectaculaire. Cette parenthèse sera utile pour mieux saisir l’origine du courant électrique.

Électricité statique

L’électricité statique provient d’une accumulation de charges électriques sur un objet ou sur une partie d’un objet, accumulation qui résulte d’un gain ou d’une perte d’électrons. La charge électrique résultante est négative si l’objet accumule un surplus d’électrons, et elle est positive si l’objet perd des électrons. Autrement dit, un déficit d’électrons laisse un surplus de charges positives. L’électricité statique peut être obtenue par frottement. Il y a alors un transfert d’électrons d’un objet à un autre. C’est ce qui se produit lorsque vous frottez un ballon sur vos cheveux ou sur un carré de feutre. Des électrons passent de vos cheveux (ou du feutre) au ballon, de sorte que le ballon accumule une charge négative, laissant vos cheveux avec un surplus de charges positives. La figure ci-contre montre un autre exemple bien connu; on y voit une personne qui pose les mains sur un générateur d’électricité statique. Par transfert de charge, son corps accumule de l’électricité statique. Les cheveux chargés se repoussent les uns les autres, créant ainsi une coiffure électrisante!

Il vous est sans doute arrivé, à un moment ou à un autre, de recevoir un petit choc en touchant un objet, par exemple en sortant d’une voiture (sièges en tissu) ou en vous levant d’une chaise de plastique.

Le frottement de vos vêtements sur le siège a engendré un transfert d’électrons qui a laissé votre corps et le siège chargés de signes opposés. Lorsque vous approchez une main d’un objet neutre ou chargé de signe contraire à vous, une décharge électrique se produit sous la forme d’une étincelle et vous ressentez un petit choc. Cette décharge rétablit la neutralité, c’est-à-dire qu’il y a un transfert d’électrons entre votre main et l’objet qu’elle s’apprête à toucher.

En résumé, on parle d’électricité statique lorsque des objets deviennent chargés électriquement par frottement ou par d’autres méthodes. Ces charges restent le plus souvent en place jusqu’à ce qu’une possibilité de rétablir l’équilibre se présente, par la proximité d’un autre objet, par exemple. Il se produit alors une décharge, c’est-à-dire un bref déplacement d’électrons, qui tend à neutraliser les objets.

L’électricité statique est exploitée dans quelques applications, dont les systèmes de filtrage électrostatiques, la fabrication du papier abrasif, les procédés de peinture par pulvérisation et la photocopie. Néanmoins, l’électricité statique n’occupe qu’une place bien marginale dans le monde moderne de l’électricité.

Électricité dynamique

L’électricité dynamique, celle qui circule et qui alimente les circuits, est ainsi nommée par opposition à l’électricité statique. Elle désigne les courants électriques, c’est-à-dire les déplacements des charges électriques dans les circuits. Si l’on fait un parallèle avec l’électricité statique, on peut dire que, dans un circuit dynamique, la source entretient sans cesse le déséquilibre de charges entre ses bornes positive et négative. On dit qu’elle génère une différence de potentiel ou une tension électrique. Le courant électrique résulte d’une tentative continuelle de rétablir l’équilibre entre les bornes par la circulation des électrons dans le circuit. Ainsi, contrairement à la décharge instantanée produite par une accumulation d’électricité statique, l’électricité dynamique produit un débit continuel d’électrons, le courant, qui est canalisé dans les conducteurs (fils et câbles) et les autres composants du circuit lorsque celui-ci est en fonction.

Production d’une tension électrique

Chimique

Deux électrodes faites de métaux différents sont plongées séparément dans une solution acide (électrolyte). En attaquant les métaux, la solution polarise les électrodes et engendre ainsi une borne négative et une borne positive. Le processus transforme alors de l’énergie chimique en énergie électrique.

Magnétique

La rotation d’un cadre conducteur entre les pôles d’un aimant engendre une tension électrique dans le conducteur. C’est le phénomène d’induction magnétique.

Thermique

Deux métaux différents sont liés en deux points de jonction (soudures). Lorsque la température n’est pas la même aux deux points de jonction, les deux métaux réagissent par un transfert d’électrons qui génère une différence de potentiel entre les bornes A et B.

Effet optique (photoélectrique)

Dans certains métaux semi-conducteurs, comme les cristaux de silicium, l’absorption du rayonnement lumineux entraîne un déplacement d’électrons. Cela a pour effet de créer une différence de potentiel entre deux surfaces lorsque ces métaux sont éclairés.

Mécanique (méthode piézoélectrique)

L’application d’une force de compression ou d’une force de traction sur certains cristaux, notamment le quartz, engendre une différence de potentiel entre les deux faces du cristal.

Pour l’instant, précisons qu’il existe trois formes de courant électrique :

le courant continu, noté c.c., qui a une valeur fixe ;
le courant alternatif, noté c.a., de forme sinusoïdale ;
le courant pulsatif, qui peut prendre des formes variées.

Chaque forme de courant a ses particularités et le choix de l’une ou l’autre dépend de l’usage auquel le courant est destiné. Une source donnée produit toujours le même type et la même forme de courant. Par exemple, les piles et les batteries produisent du courant continu alors que les alternateurs produisent, comme leur nom l’indique, du courant alternatif. Voyons maintenant brièvement ce qui distingue les trois formes de courant.

Courant continu

Le courant continu se définit comme un courant dont l’intensité et le sens demeurent constants. Examinez la représentation graphique du courant continu.

Les piles et les accumulateurs sont les principales sources directes de courant continu. Ils renferment une certaine quantité d’énergie électrique emmagasinée sous forme chimique et libérée lorsque la pile est branchée à un circuit. Les piles et les batteries sont compactes, faciles à transporter et elles permettent d’emmagasiner l’énergie électrique, des avantages exploités dans les objets portables et pour alimenter les circuits électroniques généralement peu énergivores. Comme la grande majorité des appareils électroniques branchés dans les prises de courant (télévision, radio, ordinateur, etc.) fonctionnent en courant continu, on y installe des convertisseurs de courant alternatif (c.a.) en courant continu (c.c.). On appelle souvent ces convertisseurs «alimentation c.c.» ou «adaptateur» et, contrairement aux piles et accumulateurs, ils sont inépuisables; tant que l’alimentation c.a. est présente, ils fournissent le c.c.

Sens du courant

Nous avons précisé précédemment que la production d’une force électromotrice ou d’une différence de potentiel aux bornes d’une pile (source c.c.) engendrait la circulation des électrons lorsque la source est mise en circuit, c’est-à-dire reliée à une charge. Dans quel sens? La réponse à cette question a de l’importance dans bien des applications. Par convention, le courant parcourt un circuit de la borne positive de la source vers la borne négative. C’est ce qu’on appelle le sens conventionnel du courant, celui dont il est question dans les livres et que l’on utilise, en pratique, en tant qu’électricien, technicien, ingénieur ou scientifique. Cependant, au moment où cette convention a été établie, on ignorait ce qui se passait véritablement dans les conducteurs. De sorte que le sens conventionnel du courant est à l’inverse du sens réel de la circulation des électrons, également appelé «courant électronique».

Courant alternatif

Le courant alternatif est un courant dont l’intensité varie et, comme son nom l’indique, dont la circulation change de sens (alterne) périodiquement, c’est-à-dire de façon cyclique (figure ci-dessous). Il passe ainsi d’une valeur nulle à une valeur maximale positive, revient à zéro, change de sens, atteint une valeur négative maximale et revient à zéro, s’inverse de nouveau, augmente jusqu’à sa valeur maximale positive, et ainsi de suite. Lorsqu’il circule dans un sens, le courant est positif (+) et, en sens inverse, il est négatif (–).

L’électricité fournie par Hydro-Québec est sous la forme d’un courant alternatif qui oscille à la fréquence de 60 hertz (60 cycles/seconde). Elle est produite par des alternateurs gigantesques dont la rotation est créée par la force de l’eau qui provient des barrages hydroélectriques, des éoliennes et d’autres types de centrales de production d’électricité. Elle alimente, à des tensions (nombre de volts) différentes, les industries, les commerces et les résidences. Sur la planète, tous les grands réseaux d’électricité fonctionnent en courant alternatif parce que cette forme de courant est plus facile à créer. Elle occasionne aussi beaucoup moins de perte au cours du transport comparativement au courant continu.

Vous avez vu un peu plus haut le principe de production d’une tension alternative par un alternateur. Pour l’instant, retenons simplement qu’il s’agit d’une méthode qui permet de transformer de l’énergie mécanique, généralement un mouvement de rotation, en énergie électrique, et qu’elle fonctionne par induction magnétique. L’énergie mécanique peut provenir d’une turbine à eau (centrales hydrauliques), à vapeur (centrales thermiques) ou à air (éoliennes). Elle peut également être fournie par un moteur à essence, comme dans le cas d’un groupe électrogène.

Courant pulsatif

Le courant pulsatif se situe entre le courant continu et le courant alternatif. Il circule toujours dans le même sens, mais son intensité varie constamment, évoluant périodiquement entre zéro et une valeur maximale (figure ci-dessous). En pratique, on obtient du courant pulsatif en redressant du courant alternatif.

Circuit ouvert et circuit fermé.

Dans les sections précédentes, nous avons scruté l’intérieur des fils conducteurs et expliqué brièvement le fonctionnement des sources de courant électrique. Examinons maintenant les rôles des dispositifs de commande (interrupteur) et de protection (fusible, disjoncteur) dans un circuit.

Commande

Les interrupteurs et les commutateurs sont des dispositifs de commande manuels : ils permettent de mettre en marche un appareil et de l’arrêter. En actionnant un interrupteur, vous pouvez, par exemple, allumer une lampe ou un téléviseur.

Un interrupteur sert à ouvrir et à fermer un circuit électrique. Lorsque l’interrupteur est ouvert, le circuit est ouvert, c’est-à-dire que la trajectoire des électrons est interrompue et le courant ne circule plus. La lampe ou le téléviseur sont éteints lorsque leurs interrupteurs sont ouverts. À l’inverse, lorsque l’interrupteur est fermé, le circuit est fermé, le courant circule et la lampe ou le téléviseur s’allument. La fermeture d’un circuit est une condition essentielle à la circulation d’un courant. Il existe différents types d’interrupteurs, qui se distinguent par les mécanismes qui les actionnent.

Dans la pratique, on emploie habituellement les termes «interrupteur» et «commutateur» sans faire aucune distinction. Toutefois, sachez qu’un commutateur électrique désigne aussi un dispositif de commande qui sert à changer les connexions d’un circuit électrique. Par exemple, tel qu’il est illustré ci-dessous, on utilisera un commutateur à trois directions pour commander une lampe de deux endroits différents.

Protection

Afin d’assurer la sécurité des utilisateurs et aussi pour protéger les appareils électriques, tous les circuits électriques sont munis de dispositifs de protection. Les fusibles et les disjoncteurs sont des dispositifs de protection qui provoquent l’ouverture du circuit quand l’intensité du courant devient trop grande à la suite d’une surcharge ou d’un autre problème électrique. Par exemple, un court-circuit peut engendrer un courant très intense qui risque d’endommager un appareil ou, selon les circonstances, de provoquer un incendie.

Un fusible ou un disjoncteur constitue un point faible introduit volontairement dans un circuit, qui cédera en premier si le courant devient trop intense (surintensité). Un fusible contient un petit bout de fil ou une mince lamelle métallique qui fond dès que le courant dépasse une valeur prédéterminée, appelée courant nominal. Ainsi, un fusible de 15 A, qui admet un courant nominal de 15 A, fondra si le courant dépasse 15 ampères (15 A). Il existe plusieurs types de fusibles. Parmi les plus communs, on trouve les fusibles à cartouche et les fusibles miniatures.

Un disjoncteur est un interrupteur automatique qui ouvre le circuit si l’intensité du courant dépasse la valeur admissible. Le disjoncteur offre un avantage sur le fusible : s’il se déclenche à la suite d’une surintensité, il n’est pas nécessaire de le remplacer; il suffit de le réenclencher et de le basculer en position MARCHE pour le remettre en fonction. Dans les installations résidentielles et industrielles, les disjoncteurs sont devenus la norme depuis plusieurs années, et les fusibles se font de plus en plus rares.

Il existe plusieurs types de disjoncteurs, nommés selon leur principe de fonctionnement; on trouve donc des disjoncteurs thermiques, des disjoncteurs magnétiques et des disjoncteurs thermomagnétiques.

Applications

L’électricité sert à alimenter les charges, soit tous les appareils domestiques, commerciaux ou industriels qui rythment la vie moderne. Lorsqu’on la met en circuit, la charge est alimentée par une source et, le plus souvent, liée à un interrupteur dans un circuit protégé par un disjoncteur. En passant dans la charge, le courant produira l’effet désiré : il donnera, par exemple, de la chaleur dans une plinthe chauffante électrique, une bouilloire ou l’élément d’une cuisinière, de la lumière dans les systèmes d’éclairage, les voyants lumineux ou les lampes de poche, et du mouvement dans le moteur d’un ventilateur, d’une scie ou d’une perceuse. La fonction des charges est de transformer l’énergie électrique en chaleur, en lumière, en mouvement ou en une autre forme d’énergie, selon l’effet recherché.

Chaque appareil ou pièce d’équipement contient un circuit interne qui possède sa propre complexité. Cependant, et heureusement pour nous, on peut souvent représenter un moteur, un transformateur ou un autre appareil complexe par une combinaison de composants simples; on peut ensuite prévoir le comportement de l’appareil dans différentes conditions de fonctionnement en examinant celui des composants simples. Les résistances, les bobines (ou inductances) et les condensateurs sont des composants simples dont la combinaison permet de simuler un grand nombre de circuits plus complexes. Par exemple, dans le schéma d’un circuit, on peut remplacer un moteur par une résistance, une bobine et un condensateur. Plus simplement, un conducteur se comporte comme une résistance. Mais qu’est-ce qu’une résistance, un condensateur et une bobine?

Résistances, bobines et condensateurs

Comme son nom l’indique, une résistance s’oppose (résiste) au passage du courant électrique. Un circuit dont toutes les charges sont assimilables à des résistances est appelé circuit résistif.

Le passage du courant dans une résistance produit de la chaleur. D’où vient cette chaleur? Lorsqu’un courant circule dans un conducteur, les électrons évoluent dans un mouvement d’ensemble et dans une direction particulière. Il ne s’agit toutefois pas d’un mouvement ordonné à la manière de celui d’un corps d’armée ; il ressemble plutôt à celui d’une foule poussée à se déplacer dans une direction imposée. Les électrons suivent plus ou moins un parcours en zigzag qui résulte des multiples collisions qu’ils subissent et des rebondissements qui s’ensuivent. Ces collisions provoquent un échauffement de la matière, observé dans l’ensemble des composants électriques (fils, moteurs, luminaires).

Les bobines et les condensateurs sont deux autres composants électriques d’importance. Contrairement aux résistances, ils ne résistent pas au passage du courant, ils y réagissent. Les circuits qui les contiennent sont donc appelés circuits réactifs. Une bobine tend à s’opposer aux variations de courant; sa présence ralentira l’établissement du courant et minimisera l’effet des changements. Ainsi, dans un circuit inductif, le courant ne s’établira pas instantanément à la fermeture de l’interrupteur. Un circuit dont toutes les charges sont représentées par une ou plusieurs bobines est appelé «circuit inductif». Une bobine est caractérisée par son inductance (L), une propriété relevant de l’induction électromagnétique.

Par ailleurs, un condensateur tend à s’opposer aux variations de tension. Lorsqu’on ferme l’interrupteur du circuit, le condensateur se charge et le courant diminue progressivement jusqu’à ce qu’il soit complètement bloqué. On peut comparer le condensateur à un réservoir de charges ou à une batterie temporaire qui bloque complètement le courant lorsqu’il est rempli. Il est caractérisé par sa capacité (C) à accumuler une quantité de charges électriques sous forme de tension.

Dans un premier temps, nous allons explorer le comportement de ces trois composants en courant continu. Nous verrons par la suite le comportement des circuits alimentés en courant alternatif.