Quelques notions de base sur l’électricité : unités de mesure

    Nous vous proposons aujourd’hui la première partie d’un guide ayant pour vocation de vous apporter des connaissances de base sur l’électricité. En effet, en installant de la domotique ou en faisant son choix pour des éléments à commander, certaines notions peuvent paraître obscures. Nous vous proposons donc de découvrir dans cet article quelques connaissances de base qui peuvent parfois faire défaut !
    Guide sur l'électricité
    Ce guide n’a pas pour vocation d’être extrêmement exhaustif : il y a d’autres sources que ce blog, plus spécialisés dans l’électricité, qui pourront donner des explications encore plus approfondies. Nous sommes dans le domaine de la physique appliquée et nous n’avons pas la prétention de remplacer des années d’apprentissage ou de pratique. Cependant, ces quelques bases devraient vous permettre de vous assurer plus de sécurité, voire de choisir plus facilement les équipements qui vous intéressent.
    Dans cette première partie, nous aborderons les unités de mesure de l’électricité et les différents types d’électricité existant.

    Tension, intensité et résistance

    Un courant électrique, c’est un déplacement d’électrons, des particules chargées négativement. Mais ce n’est vrai que dans les métaux ! Car l’électricité n’est pas nécessairement transmise par des électrons. Dans votre corps ou dans une batterie, c’est ce que l’on appelle des Ions (Chargés positivement). Nous ne détaillerons pas le principe en physique moléculaire, mais il s’agit bien d’un phénomène qui peut être mesuré.
    En ce qui concerne la qualification d’une courant électrique, les valeurs qui rentrent en jeu sont les suivantes :
    • La tension électrique, mesurées en volts (symbole V) et notée U, décrit la quantité d’électricité. Exemple : 230 V (tension du courant électrique au secteur en France), 12 V
    • L’intensité électrique, mesurée en ampères (symbole A) et notée I, indique le mouvement de cette électricité. Exemple : 100 A pour un démarreur automobile, 1 A pour une ampoule à incandescence, 500 mA pour une petite alimentation électrique.
    Pour visualiser ces unités de mesure, il est fréquent de comparer le déplacement électrique à celui d’un fluide : la tension correspond à la pression d’eau présente dans le tuyau, tandis que l’intensité correspond au débit.
    Analogie électricité et hydraulique
    N.B. : en raison de leur unité de mesure, la tension est parfois appellée « voltage » et l’intensité est parfois appellée « ampérage ». Ces termes ne sont pas officiels mais ils restent assez courants.
    Étroitement liée à la notion d’intensité, il y a la notion de résistance. La résistance, notée R, s’exprime en Ohms (symbole : Ω) et détermine la capacité d’un circuit ou autre composant à ralentir le passage du courant. Ainsi, sur un circuit très conducteur, la résistance est proche de 0 Ω. Deux éléments qui ne sont pas en contact auront une résistance approchant l’infini.
    La formule indiquant la relation entre la puissance est la Loi d’Ohm : U = R × I (tension égale au produit de la résistance et de l’intensité).
    Pour poursuivre l’analogie avec un montage hydraulique, la résistance correspondrait à une turbine située dans notre tuyau, et diminuant donc le passage du débit.
    Lorsqu’un courant traverse le corps humain (composé d’environ 75 % d’eau), celui-ci agit comme une résistance.
    La résistance du corps humain, est variable selon :
    • les personnes,
    • l’humidité de la peau,
    • et aussi le circuit qu’emprunte le courant dans le corps.
    En moyenne, le corps humain présente une résistance de l’ordre de 3 à 5 kΩ.
    D’après la formule ci-dessus, on voit donc qu’avec une tension de 12V, le corps sera traversé par une intensité de 2.5mA (non dangereux). Par contre avec une tension de 230V, on arrive à une intensité de 45mA qui peut être dangereuse.
    Le courant qui traverse le corps humain est dangereux suivant son intensité :
    – à 0,5 mA : c’est le seuil de perception : ça chatouille comme on dit
    – à 10 mA : contractions musculaires, seuil de non lâcher : maximum 3-4 minutes
    – à 30 mA : seuil de la paralysie respiratoire : maximum 20-30 secondes
    – à 75 mA : seuil de fibrillation cardiaque irréversible : maximum 2 à 5 secondes
    – à 1000 mA : arrêt cardiaque : maximum 30 à 100 ms
    Retrouvez toutes ces informations dans cet article très bien fait : A partir de combien de volts on peut mourir ?
    Il faut bien noter que dans tous les cas, quelque soit la capacité d’une alimentation elle ne délivrera que le courant nécessaire à la charge qui lui est connectée.
    Par exemple, une batterie 12V de voiture de 50A ne sera pas pour autant mortelle pour une personne qui touchera les bornes + et -, puisque le corps humain ne consommera que 2 ou 3mA. Autre exemple, si vous avez une box domotique qui consomme 12V / 500mA, vous pouvez sans problème l’alimenter avec une alimentation de 12V / 5A.

    Courant alternatif et courant continu

    Avant d’aller plus loin, abordons la notion d’AC/DC… il ne s’agit pas du groupe de hard rock, mais de la description de deux types de courant : courant alternatif (AC ou CA) et courant continu (DC pour Direct Current, ou CC).
    Cette notion de AC ou DC est généralement indiquée juste après la tension, pour indiquer ce qu’une alimentation délivre ou le type d’alimentation électrique dont un appareil à besoin : il y a par exemple un courant alternatif 230 VAC pour le courant au secteur en sortie d’une prise électrique, et un courant continu de 12 VDC pour une alimentation d’un petit appareil.
    Dans un courant continu, les charges électriques ne vont que dans un seul sens, du [-] vers le [+], tandis que dans un courant alternatif, le sens des charges change très régulièrement. Un courant alternatif est donc défini par sa tension mais également par sa fréquence, à savoir le nombre de fois que les charges changent de sens. Cette fréquence est de 50 Hz dans la plupart des pays, y compris la France, et de 60 Hz aux États-Unis. Vous constaterez sur la plupart des alimentations la mention 50/60 Hz, indiquant qu’elles acceptent les deux fréquences.
    Courant continu et courant alternatif

    Puissance réelle et puissance apparente

    Une autre notion indispensable est la puissance électrique. La puissance est exprimée en watts (symbole : W) et elle est notée P. C’est le produit de la tension par l’intensité (P = U × I), et comme elle prend en compte la quantité et le mouvement d’électricité, elle permet d’indiquer l’énergie fournie en une seconde par le circuit électrique.
    Formule calcul puissance P=UI
    N.B. : c’est la formule correspondant au cas de figure le plus simple, le courant continu où la tension ne varie pas. Dans le cas d’un courant alternatif, des formules plus complexes entrent en jeu, et cette formule permet de calculer la puissance apparente.
    Cette notion de puissance apparente explique qu’en courant alternatif, pour avoir une mesure précise de la puissance consommée, il faut avoir une mesure précise de la tension.
    Suivant le type de charge, il peut en effet y avoir un décalage entre la tension et l’intensité (charge inductive). La puissance est alors totalement dépendante de la mesure de tension.
    Vous n’aurez pas ce problème sur une charge résistive (comme un radiateur), mais vous pouvez l’avoir sur un moteur (machine à laver, volet…)
    Voici un ordre de grandeur des puissances présentes dans des objets du quotidien :
    • Chargeur de téléphone : 5 W
    • Appareil électrique (TV, imprimante…) en veille : 5 à 10 W
    • Réfrigérateur : 200 W
    • Air conditionné : 400 W
    • Ordinateur en fonctionnement avec moniteur LCD : 80 W
    • Box ADSL (puissance variable d’une box à l’autre) : 25 W
    • Lampe avec ampoule à économie d’énergie : 10 W
    • Lave-vaisselle : 1200 W
    • Lave-linge : 2500 W
    • Four classique : 2000 à 2500 W
    • Chauffage électrique : 1000 W à 2000 W
    Vous trouverez parfois une puissance exprimée en voltampères (VA) : il s’agit de la puissance apparente. Là où le watt permet de mesurer la puissance réelle (puissance active) et dépend donc de différents facteurs, le voltampère permet d’exprimer la puissance apparente, soit la valeur maximale de puissance pouvant être prise.
    La formule pour la puissance [P = U × I] indiquée ci-dessous est toujours valable pour calculer la puissance apparente, quelles que soient les particularités du circuit mesuré.
    Pour un circuit en courant continu (DC), la puissance réelle est égale à la puissance apparente. Le voltampère n’est donc pertinent que pour les circuits en courant alternatif (AC).

    Énergie électrique / consommation

    En lien direct avec la puissance, nous trouvons l’énergie électrique en elle-même, pour mesurer une énergie stockée ou transférée. Lors de la mesure d’une consommation ou une production d’électricité, c’est toujours l’énergie qui est mesurée.
    L’unité officielle du système international est le joule (J), mais pour l’électricité c’est généralement le kWh (kilowatt-heure) qui est utilisé. 1 kilowatt-heure est égal à 3,6 millions de joules, il est donc simple de voir pourquoi le kwh est bien plus commode pour évoquer l’énergie électrique avec le kWh.
    Comme son nom l’indique, le kWh est l’énergie consommée par un appareil de 1000 watts (= 1 kilowatt) pendant 1 heure. C’est notamment cette unité qui est utilisé par les prestataires de distribution électrique pour nous facturer.
    En France, la consommation moyenne d’électricité par habitant était de 7 344 kWh pour l’année 2012. La consommation est devenu un peu le nerf de la guerre pour l’achat d’électroménager, c’est ainsi que les produits neufs présentent aujourd’hui une étiquette-énergie indiquant leur efficacité énergétique, et une estimation de l’énergie consommée en un an (en kWh/an sur l’étiquette).
    Exemple d'étiquette énergie

    Capacité d’une batterie ou d’une pile

    Enfin, sur les appareils de type pile, batteries, etc., nous retrouvons souvent une autre unité : Ah, l’ampère-heure. C’est la quantité de charges électriques qui peut être délivrée en un temps donné.
    Autrement dit, c’est la capacité de la batterie à fournir de l’électricité pendant un certain temps et selon l’intensité demandée.
    Tout comme le kilowatt-heure a une correspondance avec le joule, l’ampère-heure correspond avec le coulomb (C), mais il est préféré pour l’usage grand public. Sur les batteries, nous rencontrons plus régulièrement des valeurs exprimées en mAh.
    Concrètement, si une batterie a une capacité de 10 000 mAh (soit 10 Ah) :
    • une charge demandant 10 ampères pourra être alimentée par cette batterie pendant 1 heure,
    • OU une charge demandant 5 A pourra être alimentée pendant 2 heures,
    • OU une charge demandant 2 A pourra être alimentée pendant 5 heures,
    • etc.
    Capacité batterie en mAh
    Exemple de batterie indiquant sa capacité.

    Résumé

    NOMUNITÉ DE MESUREDÉFINITIONEXEMPLE DE CONTEXTE
    Tensionvolt (V)Quantité de courant électriqueÉlectricité au secteur : 230V.
    Intensitéampère (A)Débit du courant électriqueIntensité acceptée sur un compteur électrique : 50A.
    Résistanceohm (Ω)Retenue du passage du courantUne résistance dans un circuit électrique peut aller de 0,01  Ω à plusieurs mégaohms.
    Puissance réellewatt (W)Énergie fournie par secondeUne ampoule 60W, un chauffage de 2000W.
    Puissance apparentevoltampère (VA)Courant alternatif uniquement :
    puissance maximale possible
    Une alimentation ondulée avec une puissance apparente de 600VA, et une puissance maximale de 360W.
    Énergie électriquekilowatt-heure (kWh)Énergie transmiseUne consommation de chauffage annuelle de 3000 kWh pour un foyer.
    Charge délivrableampère-heure (Ah)Charge pouvant être délivrée
    en 1 heure par l’appareil
    Un smartphone avec une batterie de 2600 mAh , une batterie de secours de 10 000 mAh.

    Dans le prochain article, nous aborderons d’autres bases sur l’électricité, ayant plus trait à la sécurité et aux branchements :

    • Principes de charge inductive et charge résistive ;
    • Protections d’un circuit et des utilisateurs : disjoncteur, interrupteur différentiel, fusible, importance de la masse (liaison à la Terre) ;
    • Notions liées aux installations électriques : contact sec, relais de puisance.

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