Notions d'électricité et d'électronique

Est-ce bien nécessaire ?

Pourquoi commencer un cours de "Hardware" par des notions d'électronique ?

Hardware signifie matériel et, mis à part le boîtier, tout ce matériel est électronique : les cartes, les câbles, les connecteurs, les écrans, ... et même les cartouches des imprimantes (équipées elles aussi de puces électroniques).

Nous devrons donc comprendre de quelle nature sont les signaux électroniques, comment ils se propagent, quels obstacles ils peuvent rencontrer, et comment éviter les problèmes que cela va engendrer.

Il faudra aussi connaître les caractéristiques des différents composants qui, même quand ils sont très sophistiqués, sont élaborés à partir d'un petit nombre de composants de base : résistances, condensateurs, bobines, semi-conducteurs, c'est tout ! Mais c'est aussi une base minimum à connaître.

Enfin, nous devrons être capables de nous servir d'un multimètre pour réaliser des mesures telles que celle d'une tension ou vérifier un contact ou un câble. Quelques notions sur les unités (volt, ampère, watt, ohm, hertz etc. ) qu'utilisent les électriciens ne seront pas de trop.

Charge électrique

La charge électrique est une propriété de certaines particules élémentaires. Dans l'antiquité déjà, les Grecs ont observé l'apparition de ces charges en frottant de l'ambre sur un tissu. L'ambre chargée de la sorte peut attirer des objets légers. Cette force d'attraction est comparable à l'attraction des masses à ceci près qu'il y a deux sortes de charges électriques et on observe que ces forces électrostatiques sont tantôt d'attraction et tantôt de répulsion.

Ce serait Benjamin Franklin, célèbre notamment ses expériences sur la foudre, qui en étudiant les charges électriques aurait arbitrairement décidé d'appeler les unes positives et les autres négatives. Ce qui lui a permis d'énoncer leur comportement : Les charges de signes contraires s'attirent, celles de même signe se repoussent.

Electricité statique

On a tous vu et refait l'expérience de frotter un objet de plastique sur un tissu pour l'électriser et attirer de petits bouts de papier. Cette expérience n'est possible qu'avec des matériaux isolants. Les charges électriques peuvent s'y accumuler localement alors que dans un conducteur elles se disperseraient.

Le phénomène d'électricité statique est à l'origine de la foudre, il est aussi à l'origine de décharges électriques lorsque l'on sort le linge du séchoir et des décharges qui nous surprennent parfois en descendant d'une voiture. Cette électricité statique peut aussi apparaître lorsque par temps sec on traîne les pieds sur de la moquette. Le phénomène peut être dangereux pour les composants électroniques et les techniciens avant de toucher les cartes électroniques devront s'assurer de ne pas être porteur de ces charges trop importantes pour certains composants sensibles.

L'électricité statique est mise à profit dans certains appareils dont principalement en ce qui nous concerne, les photocopieuses et les imprimantes laser.

Courant électrique

= déplacement d'électrons libres dans un conducteur

Pour être tout à fait exact on devrait parler de charges électriques. Celles-ci sont le plus souvent des électrons dans un conducteur métallique mais il s'agit parfois d'ions c'est à dire d'atomes qui ont sont chargés électriquement. Cela se produit dans le cas des décharges électriques dans un gaz ionisé ou des ions dans un électrolyte.

Les électrons libres sont des électrons que leurs atomes d'origine laissent facilement s'échapper. On trouve des électrons libres dans les matériaux conducteurs, principalement les métaux.

Les isolants sont formés d'atomes qui ne cèdent pas facilement leurs électrons. Le passage du courant y est quasi impossible.
Il n'y a pas de conducteur parfait et inversement les isolants ne sont jamais parfaits non plus.

Le tableau de Mendeliev nous montre sur la gauche tous les éléments chimiques qui ont peu d'électrons sur leur couche périphérique. Ce sont les métaux. Ce sont ces électrons qui passent facilement d'un atome à l'autre.
Les atomes sur la droite du tableau, les non-métaux, ont près de huit électrons sur leur couche périphérique et sont bien plus regardants pour les laisser partir. Ces sont des isolants.
Le carbone à 4 électrons à sa périphérie et se comporte comme un conducteur.
Le Si et le Ge ne sont pas conducteurs mais on les " dope " pour en faire des semi-conducteurs

Circuit électrique

Considérons pour commencer le circuit électrique le plus élémentaire qui soit : une boucle simple.
A gauche, le générateur électrique (ici une pile) agit comme une pompe qui va faire circuler le courant (le "jus") à condition que la boucle ne soit pas interrompue.

Analogie hydraulique
Il est intéressant de faire une analogie entre courant dans un circuit électrique et la circulation d'un fluide dans un circuit hydraulique. Cette comparaison permet de mieux se représenter ce que sont la tension et l'intensité du courant.

La comparaison entre circuit hydraulique et circuit électrique a cependant quelques limites. L'eau se déplace dans des espaces inoccupés comme le creux des tuyaux ou à l'air libre à la sortie d'un robinet. L'électricité au contraire, a besoin pour circuler de se déplacer dans un circuit fermé fait de matériaux conducteurs.

Tension ou "différence de potentiel"       U

La tension est analogue à la différence de pression entre deux points d'un circuit hydraulique qui provoque la circulation du fluide depuis l'endroit où la pression est la plus élevée vers celui où la pression est moindre.

La figure ci-contre représente un courant qui traverse une résistance. Le potentiel en B est supérieur au potentiel en A.
La tension U est aussi appelée différence de potentiel.

 U = U_B - U_A.

Ces mesures s'expriment en volts.   V

La tension se mesure avec un voltmètre.

Cet appareil placé aux bornes d'une source de courant ou aux bornes d'un récepteur relève la différence de potentiel entre deux points du circuit.
Le voltmètre est un appareil dont la résistance interne est très élevée de sorte que le courant qui le traverse est négligeable.

Dans nos ordinateurs :
Le bloc d'alimentation fournit des tensions de 3.3 V , 5 V et 12 V.
On considère que les tensions inférieures à 50 V sont de "très basses tensions". Elles sont sans danger pour notre organisme.

Intensité du courant       I

L'intensité est analogue au débit du fluide dans un circuit hydraulique.
Elle s'exprime en ampères.   A
Un ampère correspond à un débit de 6,25 ∙ 10¹⁸ électrons par seconde. (6,25 milliards de milliards d'électrons !)

On mesure l'intensité d'un courant à l'aide d'un ampèremètre qu'on insère en série dans le circuit.

L'ampèremètre est traversé par le courant qu'il mesure.

Résistance       R

Une résistance est un élément qui dans un circuit limite le passage du courant.

Analogie hydraulique:

Ce principe de la résistance est parfois utilisé dans des circuits hydrauliques pour évaluer le débit d'un fluide dans une conduite : Deux capteurs sont situés de part et d'autre d'un diaphragme qui rétrécit le passage dans une canalisation. Dès qu'un fluide y circule, on observe une différence de pression entre les deux capteurs. La pression en amont du diaphragme est supérieure à la pression en aval.

Ce phénomène se produit aussi avec les courants électriques. Les éléments résistifs lorsqu'ils sont parcourus par un courant provoquent une chute de tension, une différence de potentiel entre le point où le courant entre dans la résistance et celui où il en sort.
La résistance s'exprime en ohms. Le symbole utilisé pour exprimer cette grandeur est le R majuscule tandis que le symbole qui représente l'ohm est la lettre grecque Ω (Oméga)

1 ohm traversé par un courant de 1 ampère
provoque une chute de tension de 1 volt.

Loi d'Ohm

On a vu que la tension est en quelque sorte la pression qui incite les électrons à se déplacer dans un circuit.

L'intensité du courant I est proportionnelle à la différence de potentiel U

Dans un circuit donné, le courant est d'autant plus important que la tension est forte.
Le courant dépend de la tension mais aussi de la résistance qu'il rencontre dans le circuit. Cette résistance est faite d'obstacles dans le circuit qui vont limiter l'intensité du courant.

I diminue si R augmente
I augmente si R diminue
L'intensité du courant I est inversement proportionnelle à la différence de potentiel U

C'est ce qu'exprime la loi d'Ohm qui est une loi fondamentale en électricité.

Cette équation prend aussi deux autres formes :

Les lampes à incandescences, les lampes halogènes, tous les appareils électriques chauffants que nous utilisons pour nos usages domestiques sont de simples résistances. Branchés sur le secteur, ces appareils ont uniquement pour rôle laissent passer plus ou moins de courant en freinant son passage pour transformer l'énergie qu'il apporte en chaleur.

En pratique:

En électronique, les résistances sont de petits composants que l'on utilise pour limiter le courant ou pour diviser des tensions.

Dans les PC, les résistances de faible puissance se présentent de plus en plus souvent sous forme de boîtier SMD (Surface Monted Device = composants montés en surface). Quand ils ne sont pas trop petits (au moins 3mm de long x 2,5 mm de large) une inscription de trois chiffres indique la valeur de la résistance. Le troisième chiffre indique une puissance de 10. Ainsi, 22³ signifierait 22x10³ Ω = 22 kΩ.

Sur les cartes électroniques plus anciennes, et toujours actuellement pour les montages manuels ou les résistances qui doivent dissiper une certaine puissance, ces composants ont une forme cylindrique.

Code des couleurs

Leurs valeurs sont codées sur certaines résistances avec des anneaux de couleurs

Le premier anneau est celui qui est le plus proche du bord. Les premiers anneaux servent à coder des chiffres significatifs. L'avant dernier anneau sert à indiquer le nombre de zéros et le dernier anneau argenté ou doré sert à indiquer la tolérance.

Valeurs normalisées des résistances

Ces composants électroniques ont des valeurs normalisées qui sont égales aux valeurs proposées ci-dessous multipliées par une puissance de 10.

1.0   1.2   1.5   1.8   2.2   2.7   3.3   3.9   4.7   5.6   6.8   8.2

Ainsi vous trouverez des résistances de 1.2 Ohms de 12, 120, 1200 Ohms etc.

Regroupement de résistances en série

Dans un montage de résistances en série,  le courant passe successivement au travers de chaque résistance.

Toutes les résistances sont traversées par le même courant.
  ⇒   L'intensité du courant est identique dans chaque résistance.

I = I₁ = I₂ = ... = I_n

La tension appliquée à l'ensemble se partage entre les résistances successives.

U = U₁ + U₂ + ... + U_n

La résistance équivalente à l'ensemble du montage R_e = U / I

R_e = (U₁ + U₂ + ... + U_n)/I

R_e = U₁/I + U₂/I + ... + U_n/I

R_e = R₁ + R₂ + ... + R_n

Les résistances en série sont comme des obstacles qui se succèdent. Elles s’additionnent.
La résistance équivalente à l'association de plusieurs résistances en série vaut la somme de toutes les résistances.

Regroupements en parallèle

Le courant se partage entre les résistances. Chaque résistance ajoutée en parallèle, on dit aussi en dérivation, offre un passage supplémentaire au courant. Les résistances dans ce montage ne sont plus à considérer comme des obstacles qui freinent le courant mais plutôt comme des conductances qui facilitent son passage.

L'intensité du courant qui traverse l'ensemble est égale à la somme des courants qui traversent chaque résistance. On démontre que l'inverse de la résistance équivalente à l'ensemble est égal à la somme des inverses des résistances.

Remarques pour ce type de montage:

• La résistance équivalente est toujours plus petite que la plus petite des résistances.
• Quand on couple en parallèle N résistances de même valeur la résistance équivalente est N fois plus petite que la valeur d'une de ces résistances.

Pour plus de détails, voir cette page du cours de mathématiques appliquées au domaine technique .

 

P     Puissance

La puissance est par définition la quantité d'énergie fournie ou consommée par unité de temps.

La puissance électrique fournie par un générateur ou absorbée par un récepteur est fonction de la tension aux bornes de l'appareil et de l'intensité du courant qui le traverse.

Pour les appareils en courant continu, la puissance est produit de la tension par l'intensité du courant.

La puissance (P) s'exprime en watts (W)

Quelques ordres de grandeurs :
 •   Puissances de lampes LED économiques : 4 à 12 W
 •   Bloc dalimentation de PC : 500 à 850 W
 •   Bloc d'alim de portable : 90 W
 •   Micro onde : 800 W

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Liens recommandés  :

• Le courant électrique   Une explication plus détaillée sur Wikipédia
• En savoir plus au sujet de la vitesse de l'électricité
• Résistance (composant)   et   Résistance (électricité) dans les pages de Wikipédia
• Exercices pour ne plus confondre puissance et énergie

A propos de la structure de l'atome

• La structure des atomes (en peu de mots)
• L'atome et l'électron (ici aussi, présentation succinte)
• Atome   Explication détaillée sur Wikipédia

Soyez certains de bien comprendre la différence entre tension et intensité :