SCIENCES DE L'INGENIEUR

Niveau : Première générale, enseignement de spécialité SI

L'ÉLECTRICITÉ ET LES RISQUES

1. STATISTIQUES D’ACCIDENTS ÉLECTRIQUES MORTELS EN FRANCE (SOURCE IRNS)

Le nombre des accidents du travail d’origine électrique n'a cessé de reculer grâce à une plus large maîtrise du risque, la formation et l'habilitation des salariés.

LORS DES MANIPULATIONS DANS LE LABORATOIRE IL FAUDRA IMPÉRATIVEMENT RESPECTER LES CONSIGNES DE SÉCURITÉ

2. GRANDEURS ÉLECTRIQUES CARACTÉRISTIQUES

2.1. TENSION CONTINUE

Généralement délivré par les piles, batteries et alimentations de laboratoire, l'allure du signal en fonction du temps est représentée ci-dessous

Lorsqu'une pile ou batterie alimente un circuit, Un courant I (en ampère) va circuler et la tension à ses bornes va baisser. Elle se décharge plus ou moins vite en selon sa capacité en Ah (Ampère-heure) ou sa technologie.

Courbes de décharge de piles bâtons de 1.5V

La pile possède deux bornes : et .

2.2. TENSION ALTERNATIVE

Le courant alternatif est généralement délivré par les prises électriques dans les habitations. Les trois bornes s’appellent , et .  La tension délivrée est d'environ 230V efficace.

L'allure du signal est la suivante :

Le signal ainsi délivré est sinusoïdal et caractérisé par sa tension maximale Umax qui provient du produit de la tension efficace et de la racine carrée de 2 :

Umax = Uefficace x √2

Umax = 230 x √2

Umax = 311 V

L'alternance entre positive et négative se reproduit toutes les 20ms.

On l'appelle la période T = 20 ms.

A partir de cette période on peut calculer la fréquence en utilisant la relation :

F = 50 Hz (Hertz)

Sur une installation monophasée domestique le fournisseur d’électricité raccorde le neutre à la terre.

Toutes les masses métalliques : lave-linge, lave-vaisselle, Ordinateurs, etc... doivent être reliées à la terre.

2.3. TENSION - COURANT

La tension (aussi appelée différence de potentiel) est exprimée en Volts (V).

Le courant électrique correspond au déplacement des électrons à l'intérieur d'un conducteur. Le sens conventionnel du courant est orienté du pôle positif au pôle négatif.

Le circuit électrique doit être fermé pour qu'un courant électrique puisse circuler. On peut comparer le courant électrique au débit d'eau d'une rivière ou d'un torrent,

et la tension à la différence de hauteur d'une chute d'eau.

Un circuit électrique est généralement composé :

- d'un générateur :

- d'un récepteur :

- de conducteurs :

- d'un circuit de coupure :

2.4. MULTIPLES ET SOUS-MULTIPLES 

2.5.    LOI D’OHM

2.6. LOI DES NŒUD DE KIRCHHOFF

Si plusieurs récepteurs sont associés en dérivation au générateur, le courant délivré par le générateur est égal à la somme des courants traversant tous les récepteurs : IGEN = IR1 + IR2 + ...

Définition : la somme des courants arrivant au nœud est égale à la somme des courants partant du nœud.

    

Ex : I1 = 5A, I2 = 2A, calculer I3 puis I4

2.7. LOI DES MAILLES DE KIRCHHOFF

Le potentiel m représente la masse au potentiel 0V. Uam est la différence de potentiel (d.d.p) entre les points a et m :

Uam = Ua – Um.

Si plusieurs récepteurs sont associés en série, lorsqu’on relève toutes les d.d.p. Uam, Uab, Ubc, Ucm, on remarque que pour connaître Uam on peut aussi passer par les potentiels a, b, c et m :

Uam = Uab + Ubc + Ucm

Exemple : On donne Uam = 230V, Uab = 110V, Ubc = 48V, calculer Ucm :

2.8 Exercices

Exercice 1

Exercice 2

3.    ASSOCIATION DE GÉNÉRATEURS (BATTERIES, PILES, ...)

C'est en en 1800 que le physicien Alessandro Volta mis au point la pile voltaïque en empilant des cylindres de cuivre et de zinc.

3.1 Association Série :   

Dans cet exemple, on associe 3 éléments en Série (3S)

Calculer la tension Uam puis courant I qui traverse la résistance R

Vue éclatée d'une pile, type A23

Calculer la tension de cette pile de type A23 sachant que chaque cellule a une tension de 1,5 V :

3.2 Exercices

Exercice 3

A partir du schéma électrique suivant :

• Calculer la tension U :
  
• Si R1 = 500Ω calculer le courant I1 puis convertissez-le en mA
  
  \\I =

• Calculer la valeur de la résistance R2
  
  \\R2 =

Exercice 4

Notifications via témoin lumineux LED

Couleur	Description
Orange (vert+rouge)	Impulsions en différents oranges lorsque l'appareil s'allume ou s'éteint. Lumière orange en continu pour un appel manqué ou pour toute autre notification. Clignote en orange lorsque tu utilises l'enregistreur vocal.
Rouge	Lumière rouge en continu lorsque l'appareil est connecté à un chargeur branché. Clignote en rouge lorsque l'appareil est connecté au chargeur mais que la charge rencontre un problème. Clignote en rouge lorsque la batterie est faible.
Vert	Lumière verte en continu lorsque l'appareil est connecté à un chargeur branché et que la batterie est pleine. Clignote en vert pour indiquer que la batterie est complètement chargée.

On donne le schéma suivant correspondant au schéma structurel de la commande de la LED bicolore :

Les caractéristiques des composants sont les suivantes :

Composant	Référence	valeur
Batterie	V1	3,7 V
interrupteurs électroniques	J1,J2
Résistance	R1	470Ω
Résistance	R2	330Ω
LED rouge	LED1	Ubm = 1,6 V
LED verte	LED2	Ucm = 1,9 V

On peut modéliser une LED par un générateur. Le schéma équivalent est le suivant :

• Quel(s) interrupteur(s) électronique(s) est (ou sont) fermé(s) lorsque l'appareil est connecté à un chargeur branché et que la batterie n'est pas pleine ?
• Calculer la ddp Uab, puis calculer courant I1 qui traverse la LED1 et la résistance R1
  
  \\Uam =

• Quel(s) interrupteur(s) électronique(s) est (ou sont) fermé(s) lorsque l'appareil est connecté à un chargeur branché et que la batterie est pleine ?
• Calculer la ddp Uac, puis calculer courant I2 qui traverse la LED2 et la résistance R2
  
  \\Uac =

• Quel(s) interrupteur(s) électronique(s) est (ou sont) fermé(s) lors d'un appel manqué ou pour toute autre notification
• Calculer le courant I que doit fournir la batterie
  I =

3.3 Association en dérivation (ou parallèle)

Pour augmenter l'autonomie en électricité , on peut associer plusieurs générateurs en parallèle.

Schéma simplifié de l'installation comprenant 2 éléments en Parallèle (2P):

Calculer la tension de la batterie Uam . Si le courant I = 400 mA, en déduire la valeur des courants I1 et I2 sachant que les batteries sont identiques.

Chaque batterie va donc devoir fournir un courant 2 fois moins important que s'il n'y avait qu'une seule batterie et donc durer deux fois plus longtemps.

4. CAPACITÉ DES GÉNÉRATEURS :

La capacité d'une pile ou d'une batterie est exprimée en Ah. Il s'agit du nombre d'ampères que pourra délivrer la batterie pendant une heure.

C'est le produit entre l'intensité du courant en A par le temps en heures :

 Q = I x t 

Relever la capacité de cette batterie :

Capacité (Ah) :

Exercice :

Un camping-car dispose d'une batterie dédiée à la cellule, de 96 Ah.
On allume 5 lampes 12V.
Chaque lampe est traversée par un courant de 200 mA.
Combien de temps pourra-t-on allumer les 5 lampes avant que la batterie, ne soit entièrement déchargée ?

On dispose maintenant deux batteries identique associées en dérivation. Quel est le courant que devra délivrer chaque batterie, qu'en est-il de l'autonomie ?

Si on veut remplacer les deux batteries par une seule, quelle devra être la capacité de la nouvelle batterie pour garder la même autonomie que les deux associées en dérivation précédemment ?

 Lorsqu'on associe plusieurs batteries en parallèle, on additionne leurs capacités

5. PUISSANCE :

Sur le blister, le fabricant renseigne généralement la puissance en Watts (W) et la tension nominale en volts (V) de la lampe.

Exemple d'une ampoule de phare d'une voiture :

La relation de la puissance est la suivante :

 P = U x I 

avec : P en Watts (W), U en volts (V) et I en ampères (A)

Calculer la valeur de l'intensité du courant I circulant dans l'ampoule

6. ÉNERGIE

C'est la puissance consommée durant 1 ou plusieurs heures (Wh). C'est grâce à cette information que votre fournisseur d'électricité établi la facture de consommation d'électricité.

 E = P x t 

avec E en Watts-heures (Wh), P en Watts (W) et t en heures (h)

E peut aussi s'exprimer en Joules (J qui sont Watts-secondes 1 Wh = 3600 J)

E = P x t

avec P en Joules (J), P en Watts (W) et t en secondes (s)

Pascal Hassenforder 30/08/2021
MAJ le 29/08/2023