Fiche de révision : Fondamentaux de l’électricité

📋 Plan du Cours

1. Grandeurs physiques et conversions
2. Grandeurs électriques et énergie
3. Structure du circuit électrique
4. Tension électrique et mesure
5. Intensité du courant
6. Puissance électrique
7. Résistance et matériaux
8. Loi d’Ohm
9. Associations de résistances
10. Loi des nœuds
11. Générateurs électriques
12. Récepteurs et énergie électrique
13. Production et distribution électrique
14. Courants continus et alternatifs
15. Valeurs efficaces et fréquence
16. Domaines de tension et réseaux
17. Régimes de neutre
18. Conducteurs et câbles électriques

📖 1. Grandeurs physiques et conversions

🔑 Notions clés & Définitions

• Grandeur physique : Mesure ou quantité possédant un symbole ainsi qu’une unité de mesure.

★ À maîtriser

• Les grandeurs courantes comprennent notamment:
  • la longueur L en mètre
  • la surface S en mètre carré
  • le temps t en seconde
  • la masse m en kilogramme
  • la température T en kelvin
  • le volume v en mètre cube
  • la tension U en volt

📌 Une conversion ne peut être effectuée qu’entre des mesures de même unité ; chaque déplacement vers une unité plus petite impose une multiplication par 10 et chaque déplacement vers une unité plus grande une division par 10.

Compléments

• Le système international des unités a été réglementé en 1948 par la Conférence générale des poids et mesures afin d’uniformiser les unités utilisées dans le monde.

💡 Astuce mémo

Vers le plus petit : ×10 ; vers le plus grand : ÷10.

📖 2. Grandeurs électriques et énergie

📝 Points essentiels

• Les principales grandeurs électriques sont:
  • la tension U en volt V
  • l’intensité I en ampère A
  • la puissance P en watt W
  • l’énergie E en joule J ou en wattheure Wh
  • la résistance R en ohm Ω
  • la fréquence f en hertz Hz
  • le temps t en seconde s
  • la période T en seconde s

📐 Formule — L’énergie électrique se calcule par $E = P \times t$, avec E en joules si P est en watts et t en secondes, ou en wattheures si t est exprimé en heures.

📖 3. Structure du circuit électrique

🔑 Notions clés & Définitions

• Circuit électrique : Montage destiné à alimenter un ou plusieurs appareils électriques à partir d’une source d’énergie électrique.

📝 Points essentiels

• Un circuit électrique comprend quatre éléments essentiels:
  • un générateur
  • un récepteur
  • des conducteurs
  • un appareillage de commande

📌 Un circuit fermé permet la circulation du courant parce que l’organe de commande est fermé, tandis qu’un circuit ouvert empêche cette circulation parce que l’organe de commande est ouvert.

• Le courant électrique conventionnel circule de la borne positive vers la borne négative du générateur.

📌 Un montage en série branche les appareils les uns à la suite des autres, tandis qu’un montage parallèle, ou en dérivation, forme une ou plusieurs boucles.

💡 Astuce mémo

GRCA : générateur, récepteur, conducteurs, appareillage.

📖 4. Tension électrique et mesure

🔑 Notions clés & Définitions

• Tension électrique : Différence de potentiel entre deux points, exprimée en volts et symbolisée par U.

★ À maîtriser

• La tension électrique se mesure avec un voltmètre ou un multimètre en position voltmètre branché en parallèle dans le circuit.

Compléments

• Une mesure de tension sûre exige: d’ajuster le calibre, de mettre les pointes en contact lors d’une mesure, de porter des gants isolants, d’éviter de toucher les pointes conductrices

💡 Astuce mémo

Tension en parallèle, intensité en série.

📖 5. Intensité du courant

🔑 Notions clés & Définitions

• Intensité électrique : Quantité d’électricité qui circule dans un conducteur pendant une seconde ; elle est exprimée en ampères et symbolisée par I.

★ À maîtriser

• Pour mesurer l’intensité, l’appareil de mesure est branché en série dans le circuit, avant ou après le récepteur.

📌 La mise en place ou le retrait d’un ampèremètre doit se faire hors tension et l’appareil ne doit jamais être branché directement aux bornes d’un générateur.

Compléments

• Les électrons possèdent une charge négative et gravitent autour du noyau de l’atome ; un atome qui perd un électron tend vers une charge positive et un atome qui en gagne tend vers une charge négative.

💡 Astuce mémo

Un débit d’eau représente l’intensité du courant.

📖 6. Puissance électrique

🔑 Notions clés & Définitions

• Puissance électrique : Vitesse de conversion de l’énergie en un temps donné ; elle est exprimée en watts et symbolisée par P.

★ À maîtriser

📐 Formule — Dans le cas d’un récepteur résistif en courant continu, la puissance se calcule par $P = U \times I$.

Compléments

• Un wattmètre mesure la puissance et combine un voltmètre branché en parallèle pour la tension avec un ampèremètre branché en série pour l’intensité.

• Une lampe alimentée sous 230 V et parcourue par 0,261 A possède une puissance d’environ 60 W, car $230 \times 0{,}261 = 60{,}03$.

📖 7. Résistance et matériaux

🔑 Notions clés & Définitions

• Résistance électrique : Capacité d’un matériau à s’opposer à la circulation du courant ; elle est exprimée en ohms et symbolisée par R ou Ω.

📝 Points essentiels

📌 Les isolants comme le bois et le plastique s’opposent fortement au courant, tandis que les conducteurs comme le cuivre et l’argent le laissent circuler plus librement.

• La résistance se mesure avec un ohmmètre ou un multimètre en position ohmmètre branché en dérivation, hors tension, avec le cordon rouge dans la borne Ω.

💡 Astuce mémo

Conducteur : laisse passer le courant ; isolant : s’y oppose.

📖 8. Loi d’Ohm

★ À maîtriser

📐 Formule — La loi d’Ohm relie la tension, la résistance et l’intensité par $U = R \times I$, $R = \frac{U}{I}$ et $I = \frac{U}{R}$.

📌 Pour appliquer la loi d’Ohm, il faut connaître au moins deux des trois grandeurs étudiées : tension U, résistance R et intensité I.

Compléments

• Un récepteur de 8 Ω traversé par une intensité de 1,5 A possède une tension de 12 V selon $U = 8 \times 1{,}5$.

• Un récepteur soumis à 12 V et traversé par 0,75 A possède une résistance de 16 Ω selon $R = \frac{12}{0{,}75}$.

📖 9. Associations de résistances

★ À maîtriser

📌 En parallèle, la tension est identique aux bornes des résistances et l’intensité totale est la somme des intensités de branche ; en série, l’intensité est commune et la tension totale est la somme des tensions.

• En série, la résistance équivalente est la somme des résistances du circuit.

📐 Formule — Pour deux résistances en parallèle, la résistance équivalente vérifie $\frac{1}{R_{eq}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2}$.

Compléments

• Deux résistances de 3 Ω et 9 Ω montées en série ont une résistance équivalente de 12 Ω.

💡 Astuce mémo

Série : même intensité ; parallèle : même tension.

📖 10. Loi des nœuds

🔑 Notions clés & Définitions

• Nœud électrique : Point de connexion entre deux conducteurs ou plus dans un circuit électrique.

★ À maîtriser

📌 La loi des nœuds affirme que la somme des courants arrivant dans un nœud est égale à la somme des courants qui en repartent.

Compléments

📐 Formule — Lorsque I1 arrive dans un nœud et que I2, I3 et I4 en repartent, la loi des nœuds donne $I_1 = I_2 + I_3 + I_4$.

• Avec I1 = 0,5 A, I2 = 0,25 A et I3 = 2 A, le courant entrant vaut I = 2,75 A selon $I = I_1 + I_2 + I_3$.

💡 Astuce mémo

Aucune charge ne se perd → courants entrants = courants sortants.

📖 11. Générateurs électriques

🔑 Notions clés & Définitions

• Générateur : Dispositif qui produit de l’énergie électrique à partir d’une autre source d’énergie.

★ À maîtriser

📌 Un générateur tournant produit de l’électricité à partir d’une énergie mécanique grâce au mouvement d’une partie mobile, tandis qu’un générateur non tournant transforme une autre forme d’énergie sans mouvement mécanique.

Compléments

• Les panneaux solaires transforment l’énergie solaire en énergie électrique, tandis que les piles transforment l’énergie chimique en énergie électrique.

💡 Astuce mémo

Tournant : énergie mécanique ; non-tournant : autres formes d’énergie.

📖 12. Récepteurs et énergie électrique

🔑 Notions clés & Définitions

• Récepteur énergétique : Dispositif qui transforme l’énergie électrique consommée en une autre forme d’énergie.

★ À maîtriser

• L’étiquette énergétique classe les appareils de A à G : A désigne l’appareil le plus économe et G celui qui consomme le plus d’énergie.

📐 Formule — L’énergie électrique se calcule par $E = P \times t$ ; elle est exprimée en wattheures si le temps est en heures et en joules si le temps est en secondes.

Compléments

• Un récepteur est traversé par un courant I et possède une tension U entre ses bornes.

• Depuis le 01/09/2021, les ampoules disposent d’une nouvelle étiquette énergétique indiquant notamment le fabricant, la référence, la classe d’efficacité de A à G, la consommation et un flash code EPREL.

💡 Astuce mémo

Puissance consommée pendant un temps → énergie électrique.

📖 13. Production et distribution électrique

★ À maîtriser

• 🔄 Le réseau électrique assure successivement:

  1. la production
  2. le transport
  3. la distribution

• Les énergies hydraulique, solaire et éolienne transforment respectivement l’énergie de l’eau, du soleil et du vent en énergie électrique.

Compléments

• L’uranium, le charbon et le gaz naturel produisent de l’électricité par des chaînes de transformation impliquant de la chaleur, de la vapeur et des turbines, mais l’uranium est non renouvelable et le charbon émet particulièrement du CO2.

• Une ligne triphasée transporte trois fois plus de puissance qu’une ligne monophasée, ce qui justifie son emploi pour des raisons économiques.

• Les compteurs Linky permettent au fournisseur de relever à distance la consommation, de favoriser sa maîtrise et d’intervenir à distance pour réduire les coupures accidentelles.

💡 Astuce mémo

Production → transport → distribution.

📖 14. Courants continus et alternatifs

🔑 Notions clés & Définitions

• Courant continu : Ne varie pas dans le temps et possède une intensité constante.
• Courant alternatif sinusoïdal : Change régulièrement de sens et alterne entre des valeurs positives et négatives selon une fonction sinusoïdale.

★ À maîtriser

• Les sources continues sont des dipôles polarisés possédant un pôle positif et un pôle négatif.

• La fréquence du réseau électrique est de 50 Hz en Europe, en Asie et en Afrique, et de 60 Hz en Amérique du Nord.

Compléments

• Les convertisseurs électrochimiques, photovoltaïques et les dynamos produisent respectivement de l’électricité continue à partir d’énergies chimique, solaire et mécanique.

💡 Astuce mémo

Continu : constant ; alternatif : varie et change de sens.

📖 15. Valeurs efficaces et fréquence

🔑 Notions clés & Définitions

• Fréquence électrique : Nombre de fois qu’un signal électrique change de sens en une seconde et se mesure en hertz, avec la notation f.

★ À maîtriser

📐 Formule — La fréquence et la période sont liées par $f = \frac{1}{T}$.

📐 Formule — La tension efficace d’une tension alternative sinusoïdale se calcule par $U_{eff} = \frac{\hat{U}}{\sqrt{2}}$.

Compléments

• Un alternateur transforme l’énergie mécanique en énergie électrique grâce à l’induction électromagnétique.

📖 16. Domaines de tension et réseaux

★ À maîtriser

• Les trois niveaux de réseau sont:

  • le grand transport et l’interconnexion
  • les réseaux régionaux de répartition
  • les réseaux de distribution à 20 kV et 400 V

• En alternatif, la très basse tension vérifie U ≤ 50 V, la basse tension vérifie 50 V < U ≤ 1000 V, la haute tension A vérifie 1000 V < U ≤ 50000 V et la haute tension B vérifie U > 50000 V.

Compléments

• La production relève d’EDF ou d’une entreprise locale, le transport de RTE et la distribution d’ENEDIS ou d’une entreprise locale de distribution.

📖 17. Régimes de neutre

🔑 Notions clés & Définitions

• Régime de neutre : Manière de raccorder le neutre d’un réseau et les masses de l’installation à la terre afin de protéger les personnes contre les contacts indirects.

★ À maîtriser

• Les trois régimes de neutre sont TT, TN et IT ; la première lettre indique la situation du neutre par rapport à la terre et la deuxième celle des masses par rapport à la terre.

📌 Dans le régime TT, le neutre du transformateur et les carcasses métalliques des appareils sont reliés directement à la terre.

📌 Le régime TT impose la mise à la terre des masses et l’utilisation de dispositifs différentiels de 30 mA en tête de l’installation.

Compléments

📌 Dans le régime IT, le neutre est isolé de la terre ou relié par une impédance d’au moins 1000 Ω, tandis que les masses sont reliées à la terre ; le premier défaut ne déclenche pas la protection mais le deuxième la déclenche.

📌 Dans le régime TN, le neutre du transformateur est relié à la terre et les masses métalliques sont reliées au neutre ; un défaut de phase provoque un court-circuit franc.

💡 Astuce mémo

TT : Terre-Terre ; IT : Isolé-Terre ; TN : Terre-Neutre.

📖 18. Conducteurs et câbles électriques

🔑 Notions clés & Définitions

• Conducteur isolé : Fil électrique constitué d’une âme conductrice en cuivre ou en aluminium et d’une gaine isolante en PVC, polyéthylène réticulé ou caoutchouc.
• Plaque signalétique : Étiquette présente sur un appareil électrique et indiquant ses caractéristiques importantes.

★ À maîtriser

📌 Un conducteur isolé rigide possède une âme conductrice massive, tandis qu’un conducteur isolé souple possède une âme câblée composée de plusieurs brins.

• Le bleu clair est réservé au neutre, le vert-jaune au conducteur de protection, et les couleurs rouge, marron ou noire désignent généralement la phase.

• La dénomination des conducteurs et des câbles repose sur deux normes coexistantes : la norme française UTE et la norme européenne CENELEC.

📌 Les éléments de commande établissent ou coupent volontairement le courant, les éléments de contrôle mesurent les grandeurs électriques et les éléments de protection coupent le circuit lorsqu’un défaut apparaît.

• Les défauts électriques courants sont: la surcharge, la fuite de courant à la terre, le court-circuit entre deux conducteurs à potentiels différents

• Un fusible interrompt le circuit lors d’une surintensité importante en faisant fondre un fil calibré et doit être remplacé après fusion.

• Un disjoncteur divisionnaire interrompt le circuit en cas de court-circuit ou de surintensité prolongée et peut être réenclenché manuellement.

• Un interrupteur différentiel détecte une différence de courant entre la phase et le neutre et déclenche lorsque cette différence dépasse son calibrage, par exemple 30 mA.

• Un disjoncteur différentiel protège les personnes et l’installation contre les courts-circuits, les surintensités et les fuites à la terre, tandis qu’un interrupteur différentiel protège principalement contre les fuites à la terre.

• Une plaque signalétique peut indiquer:

  • le constructeur
  • la tension de fonctionnement
  • l’intensité
  • la puissance
  • la référence
  • le label
  • le pays de fabrication
  • l’indice de protection
  • la classe d’isolation

Compléments

📌 Un câble unipolaire contient un conducteur isolé, tandis qu’un câble multipolaire en contient plusieurs sous une ou plusieurs gaines de protection.

• Le label CE signifie que le produit est conforme aux réglementations européennes, tandis que le label NF signifie qu’il est conforme aux réglementations françaises et est délivré par l’AFNOR.

💡 Astuce mémo

Âme conductrice protégée par une gaine isolante.

📊 Tableaux de synthèse

Mesure des grandeurs électriques

Protections électriques