DONNÉES GÉNÉRALES D'ÉLECTRO-TECHNIQUE

De la nature intime de l’électricité.

La théorie corpusculaire.

L’électricité est la manifestation des modifications et déplacements de l’électron lequel est le constituant de la matière (prise dans son sens le plus large).

Il en est inséparable au même titre que les modifications chimiques et insensiblement, en passant par l’électrochimie, la théorie électronique moderne nous fait passer de l’un à l’autre sans que l’on puisse remarquer à un moment quelconque une frontière délimitant nettement le domaine de chacun.

Puisque l’électron constituant de la matière, est la cause de toutes les forces qui se manifestent

sous le nom d'électricité, il s'ensuit, ce que nous

ne devrons plus oublier par la suite, que loin d’être

OR

une entitée plus ou moins vaporeuse l'électricité à une structure matérielle.

Pour le physicien d'aujourd'hui l'atome représente depuis longtemps déjà la plus petite quantité qui puisse exister d’un corps et est constitué par un système rigoureusement analogue, à l'échelle microscopique, à un système solaire. Un noyau central (soleil) voit graviter autour de Jui de nombreux satellites beaucoup plus petits (terre, lune) qui sont les électrons. Ces satellites plus ou moins nombreux vont contribuer à caractériser le corps.

Le noyau représente presque toute la masse de l’atome, on sait actuellement qu'il est constitué luimême par un système complexe composé d'éléments semblables aux électrons de la périphérie de l’atome et de « grains » d'électricité positive que l’on a dénommé protons.

Le proton (obtenu à l’état libre pour la première fois par Rutherford) maintient les électrons en équilibre ; il n'intervient jamais dans les manifestations électriques et c'est pourquoi nous n’aurons plus à nous en préoccuper par la suite.

Ce noyau éxerce une attraction qui maintient les électrons périphériques et suivant sa puissance d'attraction on conçoit facilement qu'il en maintienne plus ou moins.

À une distance très grande (par rapport à celle du noyau et de l’électron) et comparable à celle qui sépare le soleil de ses satellites on rencontre une ou plusieurs couches d'électrons. Ceux-ci étant

La constitution schématique des corps. —

Un noyau central gros et chargé positi-

vement. — Le proton — possède une ou

plusieurs couches de satellites — électrons — gravitant autour de lui.

Les deux corps les plus simples que l'on connaisse :

A. — L'Hydrogène : qui n’a qu'une couche à un seul électron.

B. — L'Hélium : qui n’a qu'une seule couche comprenant deux électrons.

Un corps conducteur : l’ Aluminium, il a

13 électrons dont 3 périphériques, la charge

positive du noyau est à peine suffisante

pour maintenir ces électrons; aussi les

perds-t-il pour devenir lon. Il est alors chargé positivement.

Un corps isolant, le soufre, il fixe des

électrons pour devenir lon.

Le Chlorure de sodium formé de la soudure de l'Ion. Chlore à l'Ion Sodium. — Cette soudure s'effectue par l'intermédiaire de l'électron périphérique unique de la couche M du sodium, qui vient compléter à 8 le nombre des électrons de la même

couche du Chlore.

re

d'autant plus nombreux que le corps est plus lourd. C'est ainsi que le corps le plus simple que l’on connaisse, l'hydrogène ne comprend qu’une couche composée d’un seul électron (fig. 1). L’hélium (fig. 1 bts) qui ne comprend aussi qu’une couche, possède deux électrons. Au delà de nouvelles couches d’électrons s'ajoutent à la première qui ne comprend que deux électrons (on le dénomme couche K et les suivants par les lettres de l'alphabet qui lui font suite-b-.M;-N; O0, étc..) (fo: 2):

Ce sont de ces couches d'électrons et plus particulièrement de la couche la plus externe que vont dépendre Îles propriétés physico-chimiques des corps. C'est ainsi que l'hydrogène et l’hélium dont nous avons parlé, doivent à leur simplicitéextrème d’être des gaz les plus légers que l’on connaisse. C'est ainsi de même que s'explique la formation et les propriétés des ions et plus particulièrement le fait qu’un corps est conducteur ou isolant (de l’électricité comme de la chaleur).

L’aluminium, le cuivre, l'argent, perdent tous des électrons périphériques pour devenir ions et ce sont de bons conducteurs de l'électricité (1).

L'étude généralisée montre que tous les corps bons conducteurs ont peu d'électrons périphériques et qu’ils les perdent tous assez facilement : les corps isolants au contraire, fixent des électrons

1, Il n’y a pas à proprement parler de corps bon conducteurs ou mauvais conducteurs, il n’y a que des corps plus ou moins conducteurs,

supplémentaires et n’en abandonnent jamais. [ls ont toujours beaucoup d’électrons périphériques (fig. ).

Tous comme les systèmes astrals les électrons satellites périphériques sont animés de mouvement. Dans les corps conducteurs, ce sont ces électrons qui relativement plus mobiles que les autres,sautent d’un atome à un autre désordonnément et nous verrons que ces sauts d'électrons orientés, tous plus ou moins danse le même sens, transmettent le courant.

Voici un corps électriquement neutre : il perd un électron et le voilà électrisé positivement. En voici un autre qui fixe un électron supplémentaire et le voilà électrisé négativement. On voit alors nettement que l'électricité n'est que la manifestation des équilibres même de la manière etil nous reste pour finir à indiquer ce qu'est le courant électrique.

Considérons deux points séparés électriquement dont l’un présente un défaut d'électrons (pôle positif) et l’autre un excès d'électrons (pôle négatif) réunissons les par un conducteur (fil de cuivre) les électrons en excès en négatif vont se précipiter en pôles positifs où il en manque jusqu’au moment où l'équilibre sera rétabli. Il y aura donc courant d'électrons du négatif vers le positif ce qui nous montre que le courant électrique circule exactement en sens inverse de celui qu'on lui avait arbitrairement attribué autrefois.

Bien établi, le fait que l'électricité a une structure matérielle et est inséparable de la matière, il con-

no.

viendrait maintenant de se rendre compte en détail de Ja manière dont se fait la propagation dans les Mais étant donné l’importance de

on spécial. =

Le courant producteur.

Ses propriétés spéciales.

Le courant utilisé pour les applications de diathermie n'étant qu’une forme particulière du courant alternatif toutes ses propriétés découleront logiquement des lois auxquelles obéissent les courants alternatifs simples. En conséquence la parfaite connaissance de ces lois permet de ne pas s'étonner devant certains phénomènes en apparence paradoxaux et mieux même de les prévoir et de produire ceux que l’on désire.

Rappelons d’abord que :

Le courant alternatif est caractérisé par une variation périodique double : il change de sens, (variation de polarité) il change de valeur (variation de tension et d'intensité).

On peut tracer un graphique de cette variation qui montre que le courant augmente, passe par un maximum puis diminue, (variation de valeur) jusqu'à devenir nulle. La polarité s’inverse alors (variation de sens) et de nouveau le courant croit pour passer par un maximum puis décroitre etc...

Le cycle que nous venons de décrire recommence indéfiniment.

ob

E PERIOIE

EN 1j Q TE S S > a!

È & Lie > : SD ' à ce S S È x SP S FES RSS & à $ +

Il constitue une période et le nombre de cycle décrit (de période) par seconde (unité de temps) constitue la fréquence. Le courant alternatif du secteur à Paris ayant une fréquence de 50 périodes par seconde, le produit de la fréquence par la quantité fixe2x — 2x Fest souvent employée dans les calculs, elle constitue la pulsation du courant alternatif.

Si l’on veut bien se rappeler (lois de Faraday sur l'induction) l'importance primordiale de la variation de flux dans la production des courants induits, on comprendra tout l’intérêt qu'attachent les physiciens à la pulsation du courant alternatif.

Un point important dans les effets des courants alternatifs est la manière dont ils se comportent dans les circuits comprenant soit des selfs, soit des capacités, soit des selfs et des capacités réunies. L’intensité des phénomènes dépendant de la vitesse de variation du flux, on se rend compte de l’importance que présente celle-ci et par conséquent de la raison pour laquelle la formule précédente revient sans cesse dans tous les calculs de courants alternatifs puisque quel que soit le sujet étudié, quel soit la complexité de celui-ci, la pulsation joue son rôle.

Elle caractérise la nature essentiellement variable du courant producteur de l'effet.

La tension d’un courant alternatif, nous l'avons rappelé et un coup d’œil sur la courbe le montre à l'évidence passe par uneinfinité de valeurs comprises entre O et un maxima. Les appareils de mesure

n'indiquant qu'une valeur fixe, il faut préciser que. celle-ci correspond à une valeur moyenne, égale à celle d'un courant continu qui produirait les mêmes effets calorifiques. On déduit facilement de cette notion que dans la plus part des calculs c’est cette valeur qui présente de l’intérêt.Cependant dans certains cas (pour le calcul des isolements nécessaires par exemple) c’est la tension maxima ou comme l’on dit souvent : la tension de pointe qui est intéressante à connaître, aussi nous préciserons qu'il est facile de passer de l’une à l’autre, la tension efficace étant liée à la tension de pointe par le rapport 50)

On ne s’étonnera donc pas de rencontrer ce terme dans certaines formules où sa présence signalera l'importance de la tension maxima pour ce phénomène particulier (2). Le mouvement d'accélération des électrons et l'orientation de leur trajectoire dans un sens déterminé constitue,nous le verrons plusloin, le courant au travers du conducteur ; il se transmet à la vitesse de 300.000 km. par seconde que l’on a pris l’habitude de considérer comme la vitesse de l’électricité. L'étude que nous ferons de la propagation du courant électrique nous montrera à quoi corres-

1. On démontre mathématiquement que la puissance moyenne d'un générateur dont la puissance variable est déterminée par une courbe sinusoidale est dans le rapport de 1,414 = 4 2 avec les valeurs maxima atteintes par le générateur.

2. Et plus particulièrement dans les élévations de tension dues aux phénomènes de résonance. #3

SM

pond exactement cette vitesse. Quoi qu'il en soit, durant une période du courant alternatif, la propagation du mouvement d'orientation s’est faite suivant une certaine longueur du conducteur. Elle se fait en sens inverse pendant la demi-période suivante. On appelle longueur d'onde la distance parcourue par le courant pendant la durée d’une oscillation complète. Un examen du graphique du courant suffit à faire comprendre que la longueur d'onde est d'autant plus courte que la fréquence est plus grande c’est d’ailleurs un phénomène que la diffusion de la T. S. F. a rendu particulièrement banal.

La variation d’un courant alternatif peut être constamment [a même, la tension maxima reprenant périodiquement la même valeur. On dit alors que l’on a affaire à une onde entretenue. Elle peut diminuer, aussi, plus ou moins rapidement de la valeur pour arriver à disparaître totalement. On dit alors que l’onde s’amortit. Elle peut enfin varier d’intensité en diminuant, puis en augmentant d’une manière capricieuse, on dit alors que l'onde est modulée et c’est le cas que l’on rencontre dans la téléphonie sans fil.

Les effets particuliers aux courants alternatifs se montrent surtout lorsque les circuits d'utilisation présentent de la self induction ou de capacité : nous commencerons par étudier les effets paradoxaux dus

à la présence d’une self,

J. Amiot £ 2

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Effet d’une self.

On sait que tout conducteur parcouru par un courant alternatif est le siège d’un champ magnétique variable et l’on sait que réciproquement un conducteur soumis à une variation de champ magnétique est le siège d’un courant. Le courant initial crée donc au travers du conducteur qu'il traverse un second courant qui lui est superposé, c’est ce phénomène qui constitue la self induction.

Avec le courant continu, les phénomènes sont réduits au minimum puisque le courant de self induction n'existe qu'’autant qu’il y a de variations de flux, ce qui ne se produit qu’à l'établissement ou à la rupture du courant.

Avec les courants alternatifs, au contraire, la variation continuelle de la valeur du flux entraine logiquement des phénomènes de self induction continuels et très importants. La variation de flux étant proportionnellement à Ia fréquence plus celle-ci sera grande plus les effets de la self seront marqués. On devine ainsitout de suite l’intensité qu’ils acquiéreront avec les courants de haute fréquence.

Le sens du courant induit étant tel que le flux qu'il produit tend toujours à s'opposer au flux qui lui a donné naissance. Le flux magnétique produit par le courant traversant la bobine de self éprouvera de la difficulté à s'établir et par contre-coup le

courant se trouvera retardé : l'intensité du courant

sera en retard sur la tension aux bornes de la bobine alors qu'avec un courant continu elle variait absolument parallèlement. Il arrivera donc que le courant continuera à croître alors que la tension a déjà passé par son maximum et est en train de décroître. On en déduit immédiatement l'impossibilité d’obtenir la puissance en watts en faisant le produit de la tension par l'intensité puisque ces valeurs ne se produisent plus en même temps. Nous signalerons un peu plus loin les moyens de mesurer exactement cette puissance. Le tracé de la courbe de variation de l'intensité de la tension fait bien comprendre ce phénomène et l’écart sur l’axe des abscisses entre deux points de chacune des courbes ayant lamême valeur mesure le décalage du courant.

Les calculs sur les courants alternatifs seraient d'une complicaticn extrême à effectuer directement si l’on ne disposait d’un subterfuge pour les effectuer, celui-ci est l'emploi des vecteurs. Ils ont le double avantage de fournir la solution mathématique et de bien faire comprendre à première vue l'aspect du phénomène. Ils consistent essentiellement à représenter les valeurs de. la tension et de l'intensité par des vecteurs (segments de droite) dont la longueur est proportionnelle à leur valeur et que l’on oriente sur le cercle trigonométrique en raison de leur origine dans le temps. Une simple construction (parallélogramme des forces) permet alors d'obtenir instantanément la résultante de ces

‘deux vecteurs. Inversement une décomposition de

he

la résuitante entre ses deux composants permet de résoudre en cas de nécessité les problèmes inverses,.

Considérons par exemple, une bobine de self telle que celle employée à l'entrée des circuits des appareils de diathermie à éclateur, que l’on met en communication un réseau à courant alternatif. L'expérience montre qu'une bobine de self dont la résistante est négligeable décale presque le courant de 90° sur la tension. Un tel courant décalé de 909 est fréquemment dit courant déwatté (expression impropre mais qui indique bien que le compteur du fournisseur de courant ne l’enregistre pas), Traçons le vecteur À B représentant la tension appliquée à la bobine, soit 110 volts. Tracons maintenant le vecteur À C décalé en arrière par exemple de 80°, la longueur À C représentant l'intensité circulant dans la bobine et indiquée par un appareil de mesure, soit dix ampères. Cette intensité A GC peut être décomposée (calcul simple relatif aux forces étudiées en détail aux cours des études scolaires) en deux forces équivalentes A CI et À C2. Ces deux forces sont elles rigoureusement perpendiculaires l’une à l’autre À C2 se manifeste au moment où la tension est nulle la puissance à ce moment est donc nulle {tout nombre multiplié par 0 donne 0) A CI au contraire, se manifeste au moment où la tension a sa pleine valeur, il est en concordance de phase avec cette tension. Le produit de la tension par cette valeur de A GI donne done bien la puissance

= eee =+vee se