Nous commençons cette initiation à l'électricité avec une expérience d'apparence très simple mais qui déjà porte en elle toutes les grandeurs et notions fondamentales en électricité : allumer une lampe. Vous avez déjà fait cette expérience des milliers de fois, vous êtes dans une pièce et vous allumez la lampe de la pièce en pressant un interrupteur. Cette expérience peut être refaite à l'identique mais en toute sécurité à plus petite échelle avec une pile, deux fils électriques dont les bouts sont des pinces crocodiles et une petite lampe à incandescence que l'on trouve dans les vieilles lampes de poches (ne prenez pas des LED vous risqueriez de les brûlez les rendant inutilisables).

Ce qui suit est la partie écrite d'une formation orale dont la présentation peut se trouver ici : présentation les bases de l'électricité.

Pour d'autres ressources pédagogiques voir : chapitres 1 et 2 du Tome 1, lien externe Mentalité Ingénieur : Apprenez comment utiliser un multimètre! et Électro-Bidouilleur : EB_#1 Introduction au Multimètre

Le circuit pour allumer une lampe est le suivant : prenez une pile de valeur maximale 4,5 V ; donc des piles AA ou AAA de 1,5 V, des piles boutons de 3 V ou des piles plates de 4,5 V, évitez les piles de 9 V pour l'instant vous risqueriez de brûler la lampe à incandescence. Sur ces piles, notez qu'il existent deux parties, deux polarités, représentées par le signe + et - (souvent il n'y a qu'un signe l'autre est sous-entendu). Le plus simple est d'utiliser les piles plates 4,5 V car il est facile de s'accrocher à leurs pôles avec les pinces crocodiles. Accrochez ou collez sur chaque pôle une pince-croco d'un fil et sur l'autre une autre pince-croco d'un autre fil. Ne reliez pas directement les deux pôles de la pile avec le même fil vous risqueriez de déchargez très vite la pile. Il doit vous restez deux pinces-croco libres. Prenez ensuite une lampe à incandescence. Remarquez qu'il y a deux parties métalliques distinctes : le culot autour de la lampe et le plot qui est en bas de la lampe. Entre ces deux parties métalliques, une partie non métallique sert à l'isolation de ces deux parties. Mettez chaque pince-croco sur une partie différente de la lampe et là … Ô miracle, que le lumière soit et la lumière fut ! Vous avez fait votre premier circuit électrique. N'ayez pas peur de toucher les fils ou les parties métalliques, avec des tensions de quelques volts ce circuit est tout à fait sans danger pour vous.

Comment expliquer que la lampe s'allume ? Reprenons le circuit en le schématisant pour simplifier comme fait sur l'image suivante. En électricité, on explique cette expérience en invoquant qu'un courant dit électrique se propage de la borne positive de la pile vers la borne négative de la pile en passant par la lampe. On peut s'imaginer cela comme si les fils étaient des conduites d'eau et qu'un courant partirait de la borne + ayant une pression forte vers la borne - ayant une pression plus faible dû fait d'une pompe (au lieu de pompe, on peut aussi s'imaginer que le pôle + est plus haut que le pôle - créant cette surpression). Au lieu de transporter de l'eau, le courant électrique transporte des charges électriques qui sont supposées être positives car partant du pôle positif. Ainsi un courant électrique va traverser la lampe à incandescence et c'est cela qui va être responsable de la lumière émise. Pour que le courant électrique circule, on dit qu'il faut un circuit fermé ; il ne faut pas qu'un des fils ne touche pas soit la pile soit la lampe. Il se trouve que l'air est un très mauvais conducteur d'électricité ainsi si vous décollé un fil de la pile ou de la lampe le courant ne pourra plus passer. C'est comme si vous fermiez un robinet, l'eau ne peut plus circuler.

Aparté physique : Physiquement, les charges électriques qui se déplacent pour créer un courant de charges sont les électrons. En effet, dans les métaux, il y a des électrons dits “libre” c'est à dire non lié à leur atome et donc qui peuvent bouger. A l'inverse dans un isolant où il n'y a pas d'électron libre le courant électrique ne peut pas avoir lieu ou alors il faut mettre une tension très forte pour faire que des électrons liés deviennent libres. Il est à noter que les électrons sont des charges négatives et non positive comme décrit dans la vision du courant électrique. Il se trouve que les deux visons sont équivalente car si dans la vision d'un électricien le courant sont des charges positives allant du pôle + vers le pôle -, en réalité pour un physicien le courant est dû à des charges négatives allant du pôle - vers le pôle +. Mathématiquement, comme on change le signe de la charge et le sens du courant, cela donne la même chose. C'est la même chose que lorsque vous multipliez deux nombres positifs 2*3 ou les deux même nombre mais négatifs (-2)*(-3) ; le résultat est toujours 6. Autre analogie en économie, dire que vous avez perdu 100 euros, revient au même que dire que vous avez gagné -100 euros. La première façon est la vision de l'électricien la deuxième du physicien. Historiquement, le courant électrique a été défini avant de connaître les électrons, cela explique cette erreur du modèle.

Voir comme lien externe : Mentalité Ingénieur : Courant Conventionnel et Flux d'électrons

Pourquoi une lampe à incandescence s'allume-t-elle si un courant la traverse. Il faut comprendre comment fonctionne une lampe à incandescence. Cette dernière est assez simple. Elle est composée d'un filament de tungstène qui est relié au culot d'un côté et au plot de l'autre. Ce filament est métallique pour laisser passer le courant électrique. Cependant, il a tendance à résister au passage du courant et à vite chauffer quand un courant le traverse ; un peu comme quand vous frottez votre main sur une surface rugeuse, il y a de la résistance et votre main s'échauffe. C'est en chauffant qu'il se met à émettre de la lumière, comme de la braise qui luit quand elle est chaude. Pourquoi un verre autour du filament. Le verre sert à piéger hermétiquement un gaz inerte. Au contact de l'air ambiant et principalement de l'oxygène, le filament brûlerait tout de suite et fonderait. Pour éviter cela, on place ce filament dans ces conditions hors de l'atmosphère sous cloche ou plutôt sous verre. Ainsi lorsqu'un courant électrique vient de la borne positive de la pile, il passe par le culot ou le plot suivant votre branchement, il passe ensuite par le filament. Cela le fait chauffer, rougir et émettre de la lumière. Le courant revient vers la borne négative de la pile. Le filament est un composant passif, il émettra plus ou moins de lumière en fonction de courant qui est plus ou moins fort. Cela est identique à votre main qui frotte plus ou moins fortement une surface rugueuse, elle chauffera plus ou moins. Si le courant est trop fort, il chauffera trop, fondra et ainsi le circuit sera ouvert et le courant ne pourra plus passer, coupant la lumière.

Nous avons vu que pour allumer la lampe, il fallait qu'un courant électrique traverse cette lampe. Pour qu'un courant puisse circuler, il faut un circuit fermé. Très naïvement, on pourrait penser qu'en reliant le culot de la lampe à son plot, un courant pourrait circuler. Nous avons bien ici un circuit fermé mais il n'y a pas d'élément moteur qui fasse circuler les charges électriques. C'est un peu la même situation que vous obtiendrez si vous essayez de faire tourner un petit moulin à eau avec des tuyaux remplis d'eau mais tous à la même hauteur ou sans pompe. Le résultat est que votre eau ne bougera pas et ne fera pas tourner votre moulin. Pour donner du mouvement à l'eau, il faut soit avoir une pompe soit avoir une réserve d'eau en hauteur qui permet à l'eau de tomber.

L'élément qui va mettre du mouvement et de la vie dans ce circuit électrique est le générateur de tension. On en verra plusieurs type plus tard mais le plus connu est la pile. La pile permet de pousser les charges électriques du pôle + au pôle -. C'est elle qui a le rôle moteur de faire bouger les charge électriques pour qu'elles circulent dans le circuit fermé. Une pile en électronique est l'alter ego de la pompe en hydraulique. En effet la pompe permet de créer une surpression à un endroit du circuit hydraulique qui va pousser l'eau. En électronique, on ne parle pas de pression mais de potentiel. Le pôle + a un potentiel plus grand que le pôle -, donc un courant électrique peut se former du + vers le -. La tension d'une pile exprimé en Volt, V, n'est rien d'autre que la différence de ces deux potentiels. Ainsi une tension de 1,5 V signifie que le pôle + a un potentiel plus grand que le pôle - d'une valeur de 1,5V.

Plus la tension est forte, plus la force exercée sur les charges électriques sera forte et donc plus le courant résultant sera fort. Ainsi lorsque l'on prend des piles de tensions de plus en plus faible pour éclairer une lampe, le courant est moins fort et donc la luminosité diminue aussi. A l'inverse si vous mettez une pile de plus grande tension, de 9 V par exemple, sur une lampe à incandescence faite au maximum pour du 4,5 V, le courant sera trop fort. Résultat, le filament va trop chauffer et il fondra rapidement rendant votre lampe inutilisable.

En plus d'initier le courant électrique, la pile définit aussi le sens du courant électrique. Elle est faite pour envoyer des charges électriques de la borne positive vers la borne négative. Elle dicte le sens du courant électrique qui va du pôle plus vers le pôle moins. Pour une lampe qui n'est pas polarisé, cela n'a pas d'intérêt ; mais pour d'autres composants polarisés comme une diode que l'on verra plus tard, c'est primordiale.

Voir lien externe : Mentalité Ingénieur : La Tension expliquée

La tension étant une grandeur fondamentale en électronique, il vaut mieux pouvoir la mesurer facilement. Pour ce faire, l'outil de mesure de base est le voltmètre qui se trouve dans un multimètre. Prenez donc un multimètre et mettez le en position voltmètre. Vous avez deux fils qui sortent du multimètre : un, noir, sur la position COM et un autre rouge sur la position Volt. Nous allons regardez la tension pour une pile sans charge c'est à dire qui n'est pas relié à un composant électrique qui ne délivre donc pas de courant. Branchez les deux fils du multimètre sur chaque pôle de la pile. Le mieux est de mettre le fil noir sur le pôle négatif et le rouge sur le positif pour avoir une mesure positive, sinon vous aurez la même valeur mais en négatif si vous inversez les pôles. Le multimètre en mode voltmètre vous donne alors la valeur de la tension de votre pile (attention au calibrage, choisissez toujours un calibre plus grand que la tension à mesurer, sinon vous aurez la valeur OL = OverLoad = trop grand). Les voltmètre peuvent mesurer des tensions de quelques millivolt (mV) à un milliers de Volt.

Imaginez que vous ayez une pile, sans repères vous indiquant la borne positive ou négative. Comment savoir qui est qui ? Avec le voltmètre, le fil noir relié à la borne COM a par défaut un potentiel de 0 V. Ainsi si vous lisez une tension de 1,5 V, cela signifie que le fil rouge est branché sur un pôle ayant un potentiel de 1,5 V donc plus grand que le potentiel du fil noir. Vous savez alors que le pôle du fil rouge est le + de la pile et l'autre le -. A l'inverse, si vous voyez un potentiel de -1,5 V, cela veut dire que le potentiel du pôle du fil rouge est plus petit donc le fil rouge est sur le pôle - et le fil noir sur le pôle +.

On comprend maintenant que pour créer un courant électrique, il nous fait une source de tension ; c'est le rôle de la pile dans notre expérience. Nous avons aussi vu que plus la tension est forte plus le courant généré sera fort dans la lampe et vice-versa. Il faut faire attention à la tension utilisée car si elle est trop forte cela peut brûler le fil de la lampe et la rendre inutilisable. Mais quel est le lien entre la tension aux bornes de la lampe et le courant qui circule a travers elle ?

Nous avons déjà dit que la lampe en électricité est ce que l'on appelle une résistance. En plus des résistances classiques, elle émet de la lumière ; c'est une résistance lumineuse. Une résistance comme son nom l'indique a pour fonction de résister au courant. Plus la résistance est grande plus le courant est faible. L'unité pour la résistance est le Ohm. Il est ainsi possible de dire qu'une lampe a une résistance de 10 Ohm. Le courant lui a pour unité l'Ampère noté A, ou milliampère noté mA. Mais comment savoir l'intensité qui traverse une lampe si je lui applique une tension de 1 V, 2 V ou encore 4 V ? On sait que l'intensité va augmenter avec la tension mais comment est cette augmentation, on peut tout imaginer ; un courant de 0,1 A pour 1 V de 0,5 A pour 2 V et de 10 A pour 4 V par exemple, est-ce juste…non.

Pour tester ce lien, il suffit de faire des tests : mesurer à la fois la tension mais aussi l'intensité. Pour cela, on peut utiliser le multimètre en mode ampèremètre, ou plus simplement prendre une alimentation de laboratoire que l'on verra plus loin qui nous donne l'intensité et la tension. On choisit donc une résistance et l'on trace le graphe qui relie intensité en fonction de la tension appliquée. Pour une résistance de 10 Ohm, on trouvera quelque chose comme la figure ???. On remarque que pour 1 V on a 0,1 A, pour 2 V on a 0,2 A et pour 4V on a 0,4A. Il se trouve que l'on est en face de la relation la plus simple que l'on puisse avoir : l'intensité est proportionnel à la tension on a I = G*U. Multipliez par 2, 3 ou 4 la tension vous multiplierez par 2, 3 ou 4 l'intensité. Que vaut le facteur de proportionnalité G : simplement 1/R, l'inverse de la résistance. Ainsi avec une résistance de 10 Ohm, G = 1/R = 0,1, donc I = U/R = 0,1*U. Cette relation de proportionnalité entre la tension aux bornes d'une résistance et l'intensité qui la traverse est la fameuse Loi d'Ohm, que l'on reverra plus tard sous d'autres forme (U=RI par exemple) mais qui sont toutes équivalentes entre elles, en apprendre une c'est toutes les connaître quand on est un peu habitué au calcul algébrique.

Cette loi a une conséquence directe : il est très souvent inutile de mesurer l'intensité dans un circuit, cette dernière se déduit du calcul U/R. Ainsi lorsque vous aurez un circuit faisant intervenir des résistances (c'est très souvent le cas), il suffira de mesurer ou de lire la valeur de la résistance (hors circuit) puis de mesurer la tension aux bornes de la résistance (dans le circuit) pour en déduire le courant passant par cette résistance. On évite au maximum de faire des mesures d'intensité car cela implique que le courant passe à travers le multimètre. Cela comporte un danger pour le multimètre si le courant est trop fort, il peut endommager des composants.

Mesurer une résistance est encore plus facile que de mesurer une tension. Prenez un multimètre, mettez en position Ohmmètre, choisissez le bon calibre (le plus grand si vous ne savez pas) puis mettez les deux pointes de touche de chaque côté de votre résistance (sur le plot et le culot pour une lampe). La valeur d'une résistance est toujours positive et ne dépend pas du sens des pointes de touche. Les multimètres peuvent mesurer des résistance de quelques Ohms à quelques centaine de millions de Ohms.

Lorsqu'une lampe à incandescence est en fonctionnement elle fait principalement deux choses : elle émet de la lumière et elle chauffe l'air autour d'elle. Il est facile de voir la lumière qu'elle envoie, il est aussi facile de constater qu'elle chauffe en approchant sa main à quelques centimètres sans toucher l'ampoule ; on sentira la chaleur. Donc elle fournit de l'énergie lumineuse et thermique autour d'elle. Comme l'énergie ne vient pas de nul part d'où vient-elle ? Elle vient du courant électrique qui en traversant la lampe va perdre de l'énergie électrique. Schématiquement, les charges électriques vont être freinées dans leur course, donc perdre de l'énergie. C'est cette énergie qui sera utilisée pour chauffer et émettre de la lumière.

Aparté Physique : La puissance (dont l'unité est le Watt noté W) de la lampe est sa consommation d'énergie moyenne dans le temps. Il ne faut pas confondre puissance et énergie. La première n'est pas une énergie mais une énergie par unité de temps. Prenons un exemple hors de l'électricité mais qui sera plus parlant. Vous devez soulevez un sac de 5 kilo d'une hauteur de 1 m. Cela requière une certaine énergie quelque-soit le temps mis. Par contre, vous pourriez très bien soulevez ce sac en une seconde ou plus lentement en 10 s. Si vous le faîte en 1s, on dira que vous avez été plus puissant que celui qui l'aura fait en 10 s bien qu'au final vous ayez dépensé la même énergie. Si vous agissez avec une certaine puissance constante pendant un certain temps, l'énergie fourni sera simplement le produit des deux E = P*t. Ainsi, si vous laissez une lampe de 10 W allumée pendant 3 heures, elle aura consommé l'énergie de 10(W)*3(h) = 30(Wh). De ce fait, en électricité l'unité de l'énergie est le Watt-heure Wh qui reflète que vous multipliez une puissance avec un temps, des Watt avec des heures. On pourrait aussi inventer l'unité le Watt-seconde=Ws ou le Watt-minute=Wm mais le Wh est plus utile.

En pratique, si vous avez un four qui consomme 800 W et que vous l'utilisez pendant 1 heure, cela fera une consommation de 800*1=800 Wh. Si vous aviez mis 30 min, 0,5h, vous n'auriez consommé que 800*0,5 = 400 Wh. A l'inverse si votre distributeur d'énergie vous permet d'utiliser par jour 10 kWh = 10 000 Wh, alors combien d'heure pourriez vous utilisez votre four ? Le résultat est simplement 10 000/800 = 12,5 h = 12h30min.

Comment savoir la puissance d'un objet électronique, d'une lampe, d'une télévision, d'un ventilateur, etc ? Le plus simple est de la brancher à un appareil qui est un wattmètre. Ce dernier vous indiquera la puissance de votre appareil électrique. Par exemple, branchez un wattmètre sur une prise du secteur quelconque puis branchez sur ce wattmètre une lampe, le wattmètre (en plus de pouvoir vous indiquer la tension et l'intensité) vous indiquera la puissance de l'appareil. En théorie, la puissance (en W) d'un appareil électrique est simplement le produit de sa tension (en V) par son intensité (en A) : P(W) = U(V)I(A). Si vous utilisez des mA vous aurez des mW. Ainsi si une radio à pile à une tension de 4,5 V avec une intensité de 50 mA, sa puissance est 4,5*0,05 = 0,225 W ou alors 4,5*50 = 225 mW, ce qui est équivalent car 0,225 W = 225 mW. Cette relation entre puissance, tension et intensité peut se comprendre avec l'analogie hydraulique. Imaginez que vous ayez une Kärcher, plus sa pression et plus son débit d'eau seront fort plus il sera puissant ; la pression étant en électricité la tension et le débit d'eau l'intensité. De même, si vous êtes sous une chute d'eau de 5 m où passe 10L par seconde ce n'est pas la même chose qu'une chute d'eau de 100 m de hauteur avec un débit de 1000 L par seconde. Ici la hauteur correspond à la tension et la débit à l'intensité. On comprend bien que pour augmenter la puissance il faut augmenter la hauteur et le débit de la chute d'eau.

Ce circuit, une pile reliée à une lampe par deux fils, paraît très simple mais il est à la base de beaucoup d'appareils électrique. Au lieu de la pile vous pensez à une prise secteur 230 V efficace (on verra pourquoi on parle de tension efficace dans un autre chapitre) et vous avez une ampoule à incandescence dans une lampe de chevet sans interrupteur. Une lampe n'est rien d'autre en électricité qu'une résistance lumineuse. Les nouvelles lampe basse consommation n'ont rien à voir avec des lampes à incandescence, la technologie et la physique est différente.

Un des buts d'une résistance est de chauffer en convertissant la puissance électrique en puissance thermique. Ainsi tous les appareils électriques chauffant ont une résistance reliées à un générateur de tension. Donc ce petit circuit, se retrouve dans bon nombre d'appareil très commun : appareil à raclette, grille-pain, gaufrier, sèche-cheveux, ballon d'eau-chaude, radiateur électrique, etc. Évidemment pour beaucoup d'appareil, on a rajouté des composants électrique car on ne veut pas juste chauffer. Cependant les appareils les plus basiques tel que certains appareils à raclette ne sont constitué que d'une résistance chauffante reliée par deux fils à une prise secteur fournissant du 230 V efficace.

Une ampoule à incandescence dans une lampe de poche consomme autour d'un watt, donc pour une ampoule de 1 W en 10 minutes elle aura consommé 1*(10/60) = 0,17 Wh. Une ampoule à incandescence sur le secteur consomme plutôt autour de 100 W, 100 fois plus. L'énergie consommée pour une lampe à incandescence est à peu près de 80% pour chauffer et de 20% pour éclairer. De ce fait, une lampe à incandescence à un très mauvais rendement : seulement 20%, le chauffage n'étant pas le but d'une lampe sauf peut être en hiver. C'est la raison principale pour laquelle toute les nouvelles lampe sont des lampes à LED dite basse consommation car elles éclairent autant quasiment sans chauffer, donc leur rendement sont proche de 100%. Ces lampes ne font que 10-15 W et pourtant elles éclairent autant qu'une lampe de 100 W car elles ne perdent pas 80% de leur énergie en chaleur.