L’Ingénierie électrique Ou le génie électrique

L’ingénierie électrique C’est un domaine de l’ingénierie qui traite des multiples applications de l’électricité Les ingénieurs électriques développent et conçoivent des objets qui fonctionnent à l’électricité des systèmes électriques touchant la production, le transport et l’utilisation d’énergie électrique des systèmes de communication

Les domaines de l’ingénierie électrique En électricité les composantes électriques sont massives et robustes les courants sont élevés et les appareils sont puissants En électronique Les composantes électroniques utilisent de faibles intensités de courant Les pièces sont petites (miniaturisation importante) Le traitement de l’information exige une manipulation plus fine et plus précise des courants Le silicium, un matériau semi-conducteur, est utilisé à profusion dans les diodes et les transistors des circuits imprimés

Les circuits électriques Ils sont constitués d’un ensemble de composantes et de conducteurs reliés en boucle à une source d’alimentation Le courant y circule de la borne + vers la borne – (sens conventionnel) On sait cependant que les électrons circulent dans le sens opposé (sens réel)

Des composantes OBS p 460

Le schéma électrique C’est une représentation symbolique montrant comment les différentes composantes du circuit sont assemblées ou reliées ensemble On y trouve beaucoup de symboles

Courant continu vs courant alternatif Le courant continu (cc) dc pour direct current en anglais un courant dans lequel les charges électriques se déplacent continuellement dans le même sens les piles et les batteries Le courant alternatif (ca) ac pour alternating current en anglais un courant dans lequel les charges se déplacent selon un mouvement de va-et-vient régulier les centrales électriques et les génératrices) sa fréquence est de 60 Hz en Amérique du Nord plus facile à produire et à transporter sur de longues distances

Fonctions électriques

définition Une fonction électrique est un rôle joué par une composante dans le contrôle ou la transformation du courant électrique Chaque composante a sa raison d’être

Fonction alimentation

C’est la fonction assurée par une composante d’un circuit électrique qui fournit l’énergie nécessaire au mouvement des charges électriques dans les fils et les éléments de circuit Il s’agit donc d’une source d’alimentation (source de courant ou de tension) Ces sources peuvent alimenter le circuit en courant continu ou en courant alternatif

exemples La pile La batterie La génératrice La prise de courant La cellule photovoltaïque

1. Les piles et les batteries Elles produisent un courant continu (cc) en transformant l’énergie d’une réaction chimique en énergie électrique Elles alimentent les circuits des appareils portatifs (ipod, téléphone cellulaire, montre, appareil photo, etc.) Elles doivent être rechargées ou remplacées après un certain temps d’utilisation La batterie est constitué d’un ensemble de piles reliées en série ou en parallèle

Des batteries

2. La génératrice Elle transforme l’énergie mécanique en énergie électrique… une génératrice à essence la turbine d’un groupe turbine-alternateur d’une centrale hydroélectrique la rotation des pales d’une éolienne La génératrice de type alternateur produit un courant alternatif La génératrice de type dynamo produit un courant continu

Dynamo de bicyclette

Génératrice à essence

3. La prise de courant Dispositif permettant de recevoir une fiche électrique provenant d’un appareil électrique et qui est relié à un réseau électrique de façon permanente La prise assure une alimentation pratique, stable et fiable en courant alternatif d’une fréquence de 60 Hz Cette énergie électrique provient principalement des centrales hydroélectriques et est générée par des groupes turbines-alternateurs

La Grande 1 (LG1)

4. La cellule photovoltaïque (ou photoélectrique) Un dispositif qui, lorsqu’exposé à la lumière solaire, génère un courant électrique Peuvent alimenter des objets portatifs ou mobiles tels des calculatrices ou des automobiles Elles sont pratiques pour alimenter des régions éloignées (des chalets isolés), loin des réseaux électriques habituels, dans l’espace par exemple Leur fonctionnement est limité par l’ensoleillement

Des panneaux solaires (assemblage de cellules photovoltaïques)

Le condensateur STE Leur rôle est de stocker des charges électriques (le condensateur se charge) et de les libérer subitement au moment voulu (le condensateur se décharge) Il s’agit d’un dispositif composé de 2 armatures conductrices (métalliques) séparées par un isolant (appelé le « diélectrique ») et qui a la capacité d’accumuler des charges électriques Ils sont en quelque sorte des réservoirs d’électricité OBS 473 figure 14.22

Des condensateurs La « capacité » d’un condensateur s’exprime en « Farads »

Fonction conduction

La conduction Elle est assurée par toute composante d’un circuit qui permet le passage du courant électrique Les fils électriques jouent ce rôle

Les circuits imprimés Ils remplacent les fils encombrants dans des circuits qu’on veut miniaturiser Ils sont composés d’une plaquette (trouée) de matière plastique qui peut recevoir différentes composantes électriques et sur laquelle on a tracé un circuit complexe avec un métal conducteur (comme le cuivre)

Des circuits imprimés

Fonction isolation

Fonction assurée par toute composante qui empêche un courant électrique de passer Ces composantes préviennent les chocs électriques (pour les humains) et empêchent les courts-circuits Les gaines de plastique autour des fils, les embouts isolants dans les boîtes octogonales, etc.

Isolants en céramique

Fonction protection

Deux composantes jouent ce rôle: le fusible et le disjoncteur Cette fonction est assurée par toute composante qui peut interrompre automatiquement la circulation du courant électrique dans un circuit en cas de situation dangereuse ou anormale En cas de surcharge du circuit (trop d’appareils branchés en parallèle) En cas de court-circuit (phénomène qui se produit lorsqu’un contact imprévu cause une surcharge) Deux composantes jouent ce rôle: le fusible et le disjoncteur

Les fusibles Dans le fusible, le courant traverse un filament (ou une lamelle) conducteur calibré pour permettre le passage d’une certaine intensité de courant Lorsque l’intensité devient trop élevée, la température du filament augmente, le matériel qui le compose atteint son point de fusion et se liquéfie, interrompant ainsi le passage du courant Un fusible brulé (ou grillé) doit être remplacé pour que le circuit puisse à nouveau être fonctionnel

Les disjoncteurs Le disjoncteur est un dispositif de protection qui déclenche l’ouverture d’un circuit électrique en cas de surcharge Ils sont également calibrés en fonction des intensités qu’ils permettent dans les circuits électriques

Des disjoncteurs

Les disjoncteurs de fuite à la terre

Le panneau électrique

Fonction de commande

La fonction commande Cette fonction est assurée par toute composante d’un circuit qui permet d’ouvrir ou de fermer le circuit électrique Les interrupteurs jouent ce rôle

STE Les interrupteurs Différentes formes… À bascule À levier À bouton-poussoir À commande magnétique

Principe de l’interrupteur magnétique

Les types d‘interrupteurs Interrupteur unidirectionnel ou bidirectionnel Unidirectionnel : il n’offre qu’un chemin possible aux charges électriques (1 départ) Bidirectionnel : il offre deux chemins possibles aux charges électriques Interrupteur unipolaire ou bipolaire Unipolaire : il ouvre ou ferme 1 contact à la fois (il contrôle un circuit à la fois) (1 arrivée) Bipolaire : il ouvre ou ferme 2 contacts à la fois (il contrôle 2 circuits à la fois)

Interrupteurs unipolaires unidirectionnel bidirectionnel

Interrupteurs bipolaires unidirectionnel bidirectionnel

Fonction transformation d‘énergie

Cette fonction est assurée par toute composante d’un circuit qui permet de transformer l’énergie électrique en une autre forme d’énergie

Énergie électrique à énergie lumineuse Dans les ampoules à incandescence Dans les ampoules fluocompactes Dans les écrans cathodique Dans les écrans à cristaux liquides

Énergie électrique en énergie thermique Dans une chaufferette électrique Dans un grille-pain Dans un chauffe-eau Dans un four Dans une sécheuse Une plinthe électrique

Énergie électrique en énergie mécanique Les moteurs électriques Les haut-parleurs Le cristal piézoélectrique

Le cristal piézoélectrique Lorsque compressé, le cristal émet un courant Inversement, si on le soumet à un courant électrique, il se met à vibrer

Énergie électrique en énergie magnétique L’électroaimant d’une grue

Fonction régulation

La fonction régulation est assurée par une composante d’un circuit qui sert à maintenir le fonctionnement de ce circuit

Les résistors Un résistor est une composante électrique conçue pour limiter le passage du courant dans un circuit Il sert en quelque sorte d’élément protecteur Il génère une bonne quantité d’énergie thermique lors de sont travail

Code de couleur des résistors 1ère bande : premier chiffre 2ème bande : deuxième chiffre 3ème bande : facteur multiplicateur 4ème bande : tolérance (précision)

exemples

Les diodes La diode est une composante électrique fait d’un matériau semi-conducteur (généralement le silicium) qui ne laisse passer le courant électrique que dans un sens Elles servent à guider et bloquer le courant Certaines diodes servent à « redresser » le courant, c. à. d. à transformer le courant ac en courant cc Les diodes électroluminescentes (del) émettent une lumière lorsqu’un courant les traverse