Tension électrique

Tension électrique

La tension électrique est la circulation du champ électrique le long d'un circuit. Elle est souvent confondue avec la différence de potentiel électrique entre deux points d'un circuit électrique, car les deux notions coïncident en régime stationnaire et sont approximativement équivalentes dans de nombreuses applications pratiques en régime variable.

Néanmoins, dans un cas général, en régime variable, la circulation du champ électrique n'étant plus conservative en raison du phénomène d'induction électromagnétique, la tension et la différence de potentiel ne sont alors plus synonymes1,2. Dans ce cas général, la différence de potentiel perd sa signification physique et doit être remplacée par la notion de tension2.

La tension est souvent nommée voltage par le grand public, mais ce terme n'est pas utilisé professionnellement car il s'agit d'un anglicisme.

Poste électrique

Poste électrique

Selon la définition de la Commission électrotechnique internationale, un poste électrique est la « partie d'un réseau électrique, située en un même lieu, comprenant principalement les extrémités des lignes de transport ou de distribution, de l'appareillage électrique, des bâtiments, et, éventuellement, des transformateurs »1.

Un poste électrique est donc un élément du réseau électrique servant à la fois à la transmission et à la distribution d'électricité. Il permet d'élever la tension électrique pour sa transmission, puis de la redescendre en vue de sa consommation par les utilisateurs (particuliers ou industriels). Les postes électriques se trouvent donc aux extrémités des lignes de transmission ou de distribution. On parle aussi de sous-station, entre autres dans les chemins de fer.

Courant électrique

Courant électrique

Certains matériaux sont dits conducteurs de l’électricité (métaux, l'eau salée, le corps humain ou le graphite...), quand ils permettent aux charges électriques de se déplacer facilement.

Lorsqu'on marche sur une moquette, le frottement des pieds sur le sol arrache des électrons et le corps se charge d'électricité statique. Si l'on touche alors une poignée de porte métallique, on ressent une petite décharge électrostatique accompagnée d'une étincelle, causée par le déplacement brutal des charges électriques qui s'écoulent vers le sol à travers les matériaux conducteurs de la porte.

Cet écoulement, ou courant, est dû au fait qu'il existe à ce moment une différence de charges électrique entre le corps et le sol; Cette différence de charges est désignée différence de potentiel; la sensation ressentie provient du courant électrique généré par la différence de potentiel existante entre la poignée et le corps humain. On en déduit que :

la moquette est un générateur de tension électrique et un isolant.

le corps humain et la poignée de porte sont des conducteurs d’électricité.

Pour créer un courant électrique, il faut donc un circuit de matériaux conducteurs qui permettra aux charges électriques de se déplacer ; et un système capable de créer une différence de potentiel entre les deux extrémités du circuit. Ce système est appelé un générateur : ce peut être par exemple une pile, une dynamo ou un alternateur.

Sens du courant

Dans un circuit électrique, on dit que le courant électrique, noté « I », circule entre les électrodes depuis le pôle positif vers le pôle négatif du générateur. Ce sens est purement conventionnel puisque le courant peut aussi bien être causé par des charges positives (manque d’électron) qui seront attirées par le pôle négatif du générateur, que par des charges négatives (les électrons) qui se déplaceront en sens inverse, vers le pôle positif, cependant on s’intéresse essentiellement au déplacement des électrons qui sont les seuls a pouvoir se déplacer (sauf dans des matériaux radioactifs en cours de désintégration).

Dans certains cas, des charges positives et négatives se déplacent en même temps et ce double déplacement est responsable du courant électrique global. C'est le cas dans les solutions ioniques, où les cations et les anions se déplacent dans des sens opposés, et dans les semi-conducteurs comme une diode, où électrons et « trous » font de même. Les charges ne peuvent pas toutes se déplacer sous l'action du champ électrique et c'est ainsi que dans un fil électrique, les charges positives (les noyaux des atomes) restent fixes dans la structure du métal et ne peuvent constituer aucun courant électrique ; le courant électrique dans un métal est créé uniquement par le déplacement des charges négatives (les électrons libres) vers le pôle positif du générateur : c'est un courant électronique, cependant on utilise dans tous les cas le sens conventionnel « I » du courant, institué avant la découverte de la charge négative de l'électron.

On parle de courant continu quand le sens reste constant et, de courant alternatif quand il change périodiquement. La fréquence d'un courant alternatif est le nombre de périodes par seconde. Elle s'exprime en hertz (Hz), par exemple le courant distribué dans les installations électriques est à une fréquence : de 50 Hz en Europe et, de 60 Hz aux États-Unis.

Analogie hydraulique

Pour comprendre certaines propriétés du courant électrique, il est intéressant de le comparer à de l'eau s'écoulant dans un circuit de tuyaux. Le générateur peut alors être vu comme une pompe chargée de mettre sous pression le liquide dans les tuyaux. La différence de potentiel, ou tension, ressemble alors à la différence de pression entre deux points d'un circuit d'eau. Elle est notée « U », et est exprimée en volts (V).

L'intensité du courant électrique peut être assimilée au débit d'eau dans le tuyau. Elle rend compte du nombre de charges qui passent à chaque seconde dans un point du circuit ; elle est souvent notée « I », et mesurée en ampères (A). La résistance d'un circuit électrique serait alors l'analogue du diamètre des tuyaux. Plus les tuyaux sont petits, plus il faut de pression pour obtenir un même débit ; de façon analogue, plus la résistance d'un circuit est élevée, plus il faut une différence de potentiel élevée pour avoir une même intensité. La résistance électrique rend compte de la faculté d'un matériau de ralentir plus ou moins le passage du courant. Elle est notée « R » et, elle est exprimée en ohms (Ω).

Il est possible de pousser cette analogie beaucoup plus loin3 mais elle a ses limites et certaines propriétés du courant électrique s'écartent sensiblement de ce modèle basé sur un fluide, des tuyaux, et des pompes.

Électricité statique

Électricité statique

Dans la nature, les électrons sont des porteurs de charges négatives et les protons des porteurs de charges positives. Les atomes qui composent la matière ordinaire comprennent des électrons qui se déplacent autour d'un noyau composé de protons et de neutrons, ces derniers étant électriquement neutres. Lorsque le nombre d'électrons est égal au nombre de protons, l'ensemble est électriquement neutre. Il est question d'électricité statique lorsqu'il n'y a pas de circulation des charges électriques. Expérimentalement cela est généralement obtenu en utilisant des matériaux dans lesquels les charges sont « piégées », des matériaux isolants comme le plastique, le verre, le papier… qui résistent à la circulation des charges2.

Quand on frotte certains matériaux entre eux, les électrons superficiels des atomes de l'un sont arrachés et récupérés par les atomes de l'autre. Par exemple :

une tige de verre frottée sur un tissu de soie se charge positivement, car les atomes du verre perdent des électrons au bénéfice de la soie

un ballon de baudruche frotté sur des cheveux secs se charge négativement, car il capte des électrons des cheveux secs.

une règle en plastique frottée sur le tissu d'un vêtement se charge négativement, elle peut alors attirer des petits morceaux de papier. la règle modifie, par influence électrostatique, la répartition des charges dans le papier : les charges négatives de la règle repoussent les charges négatives à l'autre extrémité du morceau de papier et attirent les charges positives des atomes du papier.

Dans l'industrie, l’utilisation de sources de 241Am, émetteur alpha, sous forme de rubans placés en fin de machines de production (de papiers, plastiques, textiles synthétiques) à quelques millimètres du matériau permet en rendant l’air avoisinant conducteur, de supprimer l’accumulation d’électricité statique.

Électricité

Électricité

L’électricité est l'effet du déplacement de particules chargées, à l’intérieur d'un « conducteur », sous l'effet d'une différence de potentiel aux extrémités de ce conducteur. Ce phénomène physique est présent dans de nombreux contextes : l'électricité constitue aussi bien l'influx nerveux des êtres vivants, que les éclairs d'un orage. Elle est largement utilisée dans les sociétés développées pour transporter de grandes quantités d'énergie facilement utilisable.

Poteau electrique pologne

Les propriétés de l'électricité ont été découvertes au cours du xviiie siècle. La maîtrise du courant électrique a permis l'avènement de la seconde révolution industrielle. Aujourd'hui, l'énergie électrique est omniprésente dans les pays industrialisés : à partir de différentes sources d'énergie, principalement hydraulique, thermique et nucléaire, l'électricité est un vecteur énergétique employé à de très nombreux usages domestiques ou industriels.

En 1936-37, l'artiste Raoul Dufy réalise l'une des plus grandes fresques au monde (10m X 64 m) sur le thème de La Fée Électricité (située au Musée d'art moderne de la ville de Paris)

Étymologie

« Électricité » est un mot provenant du grec ἤλεκτρον, êlektron, signifiant ambre jaune1. Les Grecs anciens avaient découvert qu’en frottant l’ambre jaune, ce matériau produit une attirance sur d’autres objets légers et parfois des étincelles.

Électronique numérique et Le système binaire

Électronique numérique

L'électronique numérique est un domaine scientifique s'intéressant aux systèmes électroniques dont les états parcourent un ensemble fini de possibilités. Le déterminisme dans les changements d'état (transitions) permet de disposer de systèmes qui se comportent de manière stable et fiable. Elle permet en particulier de s'affranchir de parasites et autre déformations.

Ce type d'électronique est opposé à l'électronique analogique, qui, elle, traite des systèmes électroniques opérant sur des grandeurs (tension, courant, charge) variant de manière continue.

Le système binaire

Pour éviter les confusions de lecture que peuvent créer les parasites, une des méthodes possibles est de minimiser les ambiguïtés en minimisant le nombre d'états distincts que peut prendre un signal. Ce minimum possible est 2.

Le système numérique permettant 2 états différents par numéro se nomme « binaire ». Les états peuvent être notés FAUX / VRAI ou 0 / 1 par exemple. Ils peuvent correspondre à des tensions 0V / +Vcc ou -Vcc / +Vcc par exemple.

Les transitions entre états résultent de portes logiques réalisant des opérations ou fonctions logiques telles le ET, le OU, etc. (voir algèbre de Boole).

On utilise ce type d'électronique pour réaliser des circuits de commutation qui, en raison de leur simplicité, ont le mérite de présenter de très faibles coûts et, donc permettent la réalisation de systèmes logiques très complexes pour des prix dérisoires.[réf. nécessaire]

En fonction de leur gamme de tolérance et, aussi longtemps qu'on continue à pouvoir distinguer un état 0 d'un état 1, la fréquence du signal d'horloge peut être augmentée.

Électronique analogique

Électronique analogique

L'électronique analogique est la discipline traitant des systèmes électroniques opérant sur des grandeurs (tension, courant, charge) à variation continue. Elle diffère de l'électronique numérique dans laquelle ces dernières sont quantifiées. On emploie le terme « analogique » car les grandeurs électriques utilisées sont à l'image du signal à traiter (analogues).

Description

Le terme est souvent associé à un contexte électrique, mais d'autres systèmes tels que la mécanique, la pneumatique, l'hydraulique, etc., peuvent également employer des signaux analogiques.

Signaux analogiques, signaux numériques

L'information n'est pas codée de la même façon dans les circuits analogiques et numériques. Les systèmes numériques utilisent la quantification et un codage de l'information tandis que les systèmes analogiques travaillent sur des valeurs à variation continue dont la richesse du contenu n'est pas limitée par un échantillonnage quelconque.

Historiquement, les premiers systèmes électroniques étaient de type analogique. Ceux-ci avaient en effet une structure plus simple. Une même fonction était réalisée avec moins de composants en analogique qu'en numérique.

Les progrès de l'intégration et l'essor de la micro-électronique ont favorisé le développement de l'électronique numérique. La plupart des systèmes électroniques actuels intègrent des systèmes numériques et des systèmes analogiques. Si la part de l'analogique se réduit au profit du numérique, l'électronique analogique reste cependant incontournable dans un certain nombre d'applications.

Le principal intérêt de l'électronique numérique est sa simplicité de fonctionnement qui rend son comportement très prédictible. Les règles de quantification et le synchronisme (dans les circuits synchrones) permettent de construire aisément des systèmes complexes et fiables. L'intégration a rendu cela possible et peu coûteux.

Bruit et précision

Grâce à leur quantification, les circuits numériques limitent l'impact du bruit. C'est l'avantage du codage par « tout ou rien ». Les signaux analogiques étant continus, ils sont obligatoirement soumis à une incertitude due au fait que les signaux physiques sont convoyés par des charges discrètes. Par contre, la quantité d'information convoyée sur un seul fil est plus grande (à fréquence constante).

L'immunité au bruit des circuits numériques est très intéressante en traitement du signal. Elle permet en particulier d'atteindre des dynamiques importantes puisque celle-ci n'est limitée que par le nombre de « fils » utilisés pour convoyer le signal. En analogique c'est le ratio entre le niveau de saturation et le niveau de bruit qui l'impose.

Le bruit étant un phénomène physique, il reste présent dans les circuits numériques. Il s'agit même d'un problème important dans les circuits récents, qui combinent les difficultés : de petits composants, de faibles tensions d'alimentations et des fréquences élevées. Le bruit est à origine de phénomènes pouvant mettre en défaut les circuits numériques (gigue, glitches), là où les systèmes analogiques ne subissent la plupart du temps qu'un dysfonctionnement passager ou une dégradation de leur performance.

Intégration

Bien que les circuits numériques comportent un grand nombre de composants et de nœuds, ils sont souvent plus petits que les circuits analogiques car ils se prêtent mieux à l'intégration. Dans le domaine du traitement de l'information, il est moins exigeant pour un transistor de fonctionner en binaire (bloqué/saturé c'est-à-dire commutateur fermé/ouvert) qu'en linéaire (amplificateur). Les circuits numériques sont petits et plus faciles à concevoir que les systèmes analogiques. L'électronique numérique permet la conception de circuits extrêmement complexes tels que les processeurs à un coût modéré.

Domaines d'utilisation

Bien que l'électronique numérique soit actuellement très répandue, les systèmes analogiques sont encore largement présents et indispensables. Ils peuvent être regroupés dans différentes familles :

les capteurs : la plupart des capteurs génèrent des signaux analogiques représentant la grandeur physique à mesurer ;

les circuits d'instrumentation : les chaînes d'acquisition permettent le pré-traitement et l'amplification des signaux analogiques souvent faibles provenant de capteurs : on parle de systèmes d'instrumentation ;

les calculateurs : au milieu du xxe siècle, les calculateurs analogiques ont permis de réaliser des opérations mathématiques en manipulant des signaux analogiques. Ils ont été rapidement supplantés par l'ère numérique, néanmoins on trouve toujours des circuits pouvant réaliser de telles opérations : l'amplificateur opérationnel ;

les filtres : on utilise encore beaucoup le filtrage analogique lorsque les filtres numériques, implémentés sur DSP ou FPGA sont ou trop lents (circuits HF) ou trop lourds à mettre en œuvre. Le filtre le plus simple et le plus connu est probablement le filtre RC ;

les circuits d'amplification électronique : ils permettent la mise en forme de signaux analogiques pour être directement utilisables par des actionneurs : l'amplificateur électronique ;

les actionneurs : une grande partie des actionneurs utilisent des signaux analogiques en tant que commande, bien que ceux-ci soient généralement associés à l'alimentation en énergie du système : moteur électrique, haut-parleur, etc. ;

les convertisseurs : enfin il existe des systèmes de conversion analogique ↔ numérique que l'on peut qualifier de mixte : CAN, CNA, MLI ;

les oscillateurs : circuits générant un signal alternatif à une fréquence fixée. À l'heure actuelle, l'oscillateur contrôlé en tension ou VCO est un circuit analogique très répandu du fait de son utilisation dans les boucles à verrouillage de phase (PLL) et à verrouillage de délai (DLL). Les oscillateurs sont également très utilisés pour les circuits radiofréquence.