| Image:GonioX.jpg Cet article concernant la science fait partie de la série physique |
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Électricité est un mot provenant du grec élecktron signifiant ambre jaune. Les anciens Grecs avaient découvert qu’en frottant l’ambre jaune, celle-ci produisait une attirance sur d’autres objets et, parfois des étincelles. Ils ont donc appelé cette force électricité, sous cette forme elle est dite « statique ».
L’électricité est une manifestation énergétique due aux différentes charges de la matière. La charge électrique est une des propriétés de la matière, celle-ci respecte une loi de conservation.
Il y a deux types de charges électriques :
Par expérience on démontre que des objets porteurs de charges identiques se repoussent et, que ceux porteurs de charges opposées s’attirent. Charles de Coulomb en a déduit la loi de Coulomb, qui décrit quantitativement la force d’attraction ou de répulsion provoquée par les charges électriques.
L’unité de charge du système international (SI) est le coulomb.
Vers l’an -600, Thalès de Milet rapporte dans ses écrits des expériences sur l'électricité. Il s'agit de l'électricité statique qui est produite en frottant de l’ambre avec de la laine ou des peaux.
Au XVIIe siècle, William Gilbert, médecin de la reine d’Angleterre, donne le nom d’électricité au phénomène.
En 1752, Benjamin Franklin démontre que la foudre est un phénomène dû à l'électricité.
En 1799, Alessandro Volta invente la pile électrique en empilant alternativement des disques de métaux différents (cuivre, zinc) séparés par des disques de feutre imbibés d’acide.
En 1820, Hans Christian Orsted découvre la relation entre électricité et magnétisme, dont les lois seront décrites par André-Marie Ampère, Michael Faraday, Jean-Baptiste Biot et Félix Savart, pour être finalement mises en forme par James Clerk Maxwell.
1822 Peter Barlow (1776-1862) construit ce qui peut être considéré comme le premier moteur électrique de l'histoire : la "roue de Barlow" qui est un simple disque métallique découpé en étoile et dont les extrémités plongent dans un godet contenant du mercure qui assure l'arrivée du courant.
1831 Michael Faraday (1791-1867) découvre l'induction électromagnétique : la création d'un courant dans un conducteur à partir d'un champ magnétique.
1832 Hippolyte Pixii, constructeur d'instruments de physique à Paris, réalise la première machine électrique à induction comprenant un aimant tournant en face des pôles d'un électro-aimant fixe. C'est un générateur de courant alternatif qui permet d'obtenir du courant continu grâce à un commutateur d'Ampère, c'est-à-dire deux demi-bagues fixées à l'axe permettant l'inversion de la polarité. C'est déjà l'amorce d'un collecteur à lames. Joseph Henry observe l'étincelle se produisant à l'ouverture d'un circuit électrique et nomme ce phénomène extra-courant de rupture. C'est la découverte de l'auto-induction.
1833 Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865), physicien russe d'origine allemande, établit la loi qui donne le sens du courant induit.
1834 Le professeur russe Hermann von Jacobi construit un moteur d'une puissance de un cheval vapeur qui propulsera un bateau à roue à aubes sur la Neva, à Saint-Petersbourg. L'inducteur et l'induit sont des électroaimants en fer à cheval portés par une couronne mobile et une couronne fixe en regard l'une de l'autre. Le commutateur appelé "gyrotrope" inverse aux positions convenables l'excitation des électro-aimants mobiles. Mais ce moteur est encombrant et, finalement, c'est l'américain Thomas Davenport qui sera le véritable inventeur de ce genre de machine. On doit à Jacobi la notion de "force contre-électromotrice".
1835 Charles Grafton Page expérimente un auto-transformateur. Thomas Davenport, forgeron à Brandon dans le Vermont aux U.S.A., construit un des premiers véhicules électriques. Le moteur électrique était vraisemblablement un moteur du genre « piston simple effet de locomotive ».
1837 Nicholas Joseph Callan réalise le premier transformateur composé d'un primaire et d'un secondaire.
1838 Charles Grafton Page construit une bobine d'induction qui peut être considérée comme l'ancêtre de la bobine de Rhumkorff. Construction d’un moteur électrique semblable au piston simple effet des machine à vapeur, la vapeur étant remplacée par deux électroaimants en U.
1840 Moteur électrique de Bourbouze. Les pistons d'une machine à vapeur sont remplacés par des électroaimants excités alternativement grâce à des contacts commandés par un tiroir "distributeur".
1845 Gustave Froment (1815-1865) construit la première machine à réluctance variable. Il s'agit d'un moteur rotatif comportant une couronne d'électro-aimants fixes qui attirent des barres de fer portées par une roue.
1856 Heinrich Ruhmkorff met au point la bobine qui porte son nom en se basant sur les travaux des ses prédécesseurs et en fait un instrument scientifique performant qu'il commercialise.
1859 Gaston Planté (1834-1889) invente l'accumulateur ou "pile réversible". La même année Antonio Pacinotti (1841-1912) met au point une machine électrique constitué d'un anneau d'acier entouré d'un fil de cuivre, "l'anneau de Pacinotti". C'est la base du moteur électrique et de la dynamo.
1865 Antonio Pacinotti publie, dans le n°19 de la revue Nuovo Cimento, une communication sur un anneau tournant dans un champ magnétique, qui préfigure l'induit des machines électriques, dont il envisage l'utilisation aussi bien en génératrices qu'en moteurs. N'ayant pu dépasser le stade expérimental, ses réalisations restent sans suite.
1865 James Clerk Maxwell publie son traité d'électricité et de magnétisme, véritable fondement de l'électromagnétisme moderne. Les fameuses "équations de Maxwell" sont lancées.
1868 L'anglais Wilde réalise la première machine dynamoélectrique ou dynamo. Il remplace, à la suite des travaux de Ernst Siemens, l'aimant permanent par un électro-aimant alimenté par une machine auxiliaire.
1869 L'inventeur belge Zénobe Gramme (1826-1901), né à Jehay-Bodegnée (province de Liège), rend possible la réalisation des génératrices à courant continu en imaginant le collecteur. Il améliore les premières versions archaïques d'alternateurs (1867) et devient célèbre en retrouvant le principe de l'induit en anneau de Pacinotti. En 1871, il présentera à l'Académie des Sciences de Paris la première génératrice industrielle de courant continu, que l'on appela machine de Gramme et qui était en fait une magnéto.
1878 Thomas Alva Edison, inventeur américain, fonde l'Edison Electric Light Co. à New-York.
1879 Edison présente sa première lampe électrique à incandescence (avec filaments de carbone) qui reste allumée 45 heures.
1879 Une centrale hydraulique de 7 kW est construite à Saint-Moritz.
1881 La France organise, entre le 1er août et le 15 novembre une Exposition internationale de l'Electricité qui consacre la naissance de l'Electrotechnique, soulignée par un Congrès international des Electriciens qui siège à Paris du 15 septembre au 19 octobre. La grande nouveauté est l'emploi industriel de la dynamo Gramme.
1882 Edison inaugure les premières "usines électriques" (production de tensions continues) construites à Londres (Holborn Viaduct) et New-York (Pearl Street : 110 V, 30 kW). Première ligne de transport d'énergie électrique en Allemagne en courant continu : 2400 V, 59 km.
1884 Lucien Gaulard (1850-1888), jeune électricien français, chimiste de formation, présente à la Société française des Electriciens un "générateur secondaire", dénommé depuis transformateur. Devant le scepticisme de ses compatriotes, il s'adresse à l'anglais Gibbs et démontre le bien-fondé de son intervention à Londres. En 1883, Lucien Gaulard et John Dixon Gibbs réussissent à transmettre pour la première fois, sur une distance de 40 km, du courant alternatif sous une tension de 2000 volts à l'aide de transformateurs avec un noyau en forme de barres. En 1884 Lucien Gaulard met en service une liaison bouclée de démonstration (133 Hz) alimentée par du courant alternatif sous 2000 volts et allant de Turin à Lanzo et retour (80 km). On finit alors par admettre l'intérêt du transformateur qui permet d'élever la tension délivrée par un alternateur et facilite ainsi le transport de l'énergie électrique par des lignes à haute tension. La reconnaissance de Gaulard interviendra trop tardivement. Entre-temps, des brevets ont été pris aussi par d'autres. Le premier brevet de Gaulard en 1882 n'a même pas été délivré en son temps, sous prétexte que l'inventeur prétendait pouvoir faire "quelque chose de rien" ! Gaulard attaque, perd ses procès, est ruiné, et finit ses jours dans un asile d'aliénés. Le transformateur de Gaulard de 1886 n'a pas grand chose à envier aux transformateurs actuels, son circuit magnétique fermé (le prototype de 1884 comportait un circuit magnétique ouvert, d'où un bien médiocre rendement) est constitué d'une multitude de fils de fer annonçant le circuit feuilleté à tôles isolées. Ainsi, en 1885, les Hongrois Károly Zipernowsky, Miksá Déry et Otto Titus Bláthy mettent au point un transformateur avec un noyau annulaire commercialisé dans le monde entier par la firme Ganz à Budapest. Aux USA, W. Stanley développe des transformateurs.
1885 Galileo Ferraris, ingénieur italien, introduit le principe du champ tournant dans la construction des moteurs électriques.
1886 George Westinghouse (1846-1914), inventeur et industriel américain né à Central Bridge (Etat de New York), s'intéresse à l'électricité industrielle et fonde la Westinghouse Electric Corporation. Ce groupe américain producteur de matériel électrique et électronique est devenu le numéro deux américain du secteur, derrière General Electric. Il fabrique également des appareils ménagers et des postes de télévision, et a développé ses activités dans le nucléaire : le groupe a détenu le procédé PWR (Pressured Water Reactor) de production d'énergie nucléaire, qui est l'ancêtre du procédé mis en oeuvre en France par EDF. Après avoir obtenu en 1887 un brevet pour un transformateur, il réalise à Buffalo un premier réseau à courant alternatif pour l'éclairage.
1887 Nikola Tesla (1856-1943), ingénieur en électronique yougoslave né à Smiljan, en Croatie, fonde une société pour la construction des alternateurs. Grâce à ses travaux, le courant alternatif va gagner la bataille du transport à distance et de l'utilisation du courant alternatif. Tesla préconise d'abord l'utilisation des courants polyphasés (1882) et réussit à créer un champ magnétique tournant qui permet d'entraîner en rotation une armature mobile tournante. La première expérience pour le transport d'énergie à grande échelle est faite en Allemagne. C'est la réalisation d'une ligne longue de 175 kilomètres entre Lauffen-sur-le-Neckar et Francfort-sur-le-Main. Et le rendement atteint est déjà de 75 % ! Il imagine en 1890 le premier montage produisant un courant à haute fréquence. Tesla poursuit des travaux de recherches. On lui doit le fameux montage Tesla dans le domaine de la radioélectricité mais cela n'empêche pas, comme pour d'autres inventions qu'il peut faire, qu'il ne finisse lui aussi ses jours dans la misère. On a donné son nom à l'unité d'induction magnétique dans le système SI, le tesla (symbole T).
1887 François Borel, ingénieur constructeur suisse, conçoit le premier compteur à induction à courant triphasé.
1888 Friedrich Wilhelm Schindler-Jenny résidant en Autriche conçoit le premier fer à repasser électrique.
1889 Michail Ossipowitsch Doliwo-Doborwolski, électricien russe, invente le premier moteur asynchrone à courant triphasé à cage d'écureil (construit industriellement à partir de 1891). En fait le moteur asynchrone était "dans l'air". Qui fut réellement sont inventeur ? Tesla, Ferraris ou Doliwo-Doborwolski ? Première ligne de transport en courant alternatif aux USA : Oregon city - Portland, 21 km, sous 4 kV.
1890 Mise en service de la première locomotive électrique de métro à Londres.
1891 Suisse : première installation de transmission de courant triphasé (15 kV, 40 Hz) entre une centrale hydraulique située à Lauffen sur le Neckar et Francfort sur une distance de 175 km (pertes de transport de 25 %). Première ligne de transport triphasé en Allemagne : 12 kV, 179 km.
1893 Friedrich Wilhelm Schindler-Jenny présente la première cuisinière électrique à l'exposition mondiale de Chicago. Première ligne de transport triphasé aux USA en Californie, 12 km, sous 2,3 kV.
1894 Electrification des tramways zurichois.
1896 Les entreprises électriques installent les premiers compteurs à tarif unique chez leurs clients.
En 1897, Joseph John Thomson démontre l'existence et le rôle de l’électron. 1899 Premier chemin de fer d'Europe entièrement électrifié des Chemins de fer Berthoud-Thoune (40 km ; 750 V ; 40 Hz).
1903 La firme Landis & Gyr fabrique le premier compteur à double tarif.
1906 Le premier aspirateur électrique est commercialisé sous le nom de "pompe à dépoussiérage".
1920 Les machines à laver sont équipées d'un moteur électrique.
1923 Une ligne aérienne à 220 kV est mise en service pour la première fois aux Etats-Unis. 1924 Début de la construction d'une ligne aérienne nord-sud à 110 kV reliant les centrales allemandes à charbon situées près du Rhin aux centrales hydrauliques alpines. Le premier tronçon de Neuenahr à Rheinau est équipé de pylônes à 380 kV - une augmentation ultérieure de la puissance étant ainsi garantie (mise en service partielle en 1929 avec 110 kV et en 1930 avec 220 kV).
1937 Le premier turbo-alternateur refroidi à l'hydrogène est mis en service aux Etats-Unis (puissance de 100 MVA).
1955 En Angleterre, mise en exploitation commerciale de la première centrale nucléaire (9 MW) à Calder Hall.
1965 "black-out" : le 9 novembre, New-York est restée 13 heures sans électricité après que la foudre fût tombée sur une ligne à 345 kV.
1966 Mise en service de la première ligne aérienne (380 kV) vers l'Allemagne, de Beznau à Tiengen.
1967 Raccordement au réseau de la première centrale marémotrice du monde (240 MW) située sur l'estuaire de la Rance (France).
1967 Les réseaux à très haute tension (380 kV) de la France, de la République Fédérale d'Allemagne et de la Suisse sont interconnectés pour la première fois à Laufenbourg.
1978 Un grave incident survient dans la centrale nucléaire de Three Mile Island près de Harrisburg (USA) (sans conséquences pour l'environnement).
1983 Mise en service de la première grande installation éolienne à Growian près Brunsbüttel (Allemagne) (rotor de 100 m de diamètre ; arrêt en 1986 à la suite de problèmes de matériau).
1986 Un accident très lourd de conséquences survient dans la centrale nucléaire de Tchernobyl (République d'Ukraine).
2003 14 août : Black out aux U.S.A , environ 50 millions de personnes sont restées sont électricité durant deux jours.
2003 28 septembre : en Italie, 57 millions de personnes sans électricité pendant 2 heures.
Dans la pratique, l’électricité est désignée comme courant électrique. Par analogie avec l’eau circulant dans des tuyaux, l’électricité circule dans des conducteurs (fils).
Cette analogie peut aider à comprendre les notions de :
Précisions et développements de l'analogie hydraulique pour U, R et I, mais aussi les sources de tension (continue ou alternative), les points de masse, les condensateurs et les inductances : Analogie hydraulique.
Comme toute analogie, elle a ses limites et il ne faut pas tirer des résultats par analogie.
Dans la convention dite « récepteur », le courant électrique circule du pôle positif vers le pôle négatif. Ce sens s'entend en dehors des générateurs d’électricité donc dans les câbles d’alimentation et les appareils.
Ceci est indépendant du sens de circulation des particules portant les charges. Ainsi, dans la convention récepteur, cations et trous d'électrons se déplacent dans le sens du courant(du + vers le -), tandis que les électrons et les anions se déplacent en sens inverse du courant(du - vers le +).
Dans la convention dite « générateur », utilisée pour décrire l'intérieur des générateurs de courant, le courant est au contraire orienté du moins vers le plus.
Le sujet de la vitesse de l’électricité n’est pas aussi évident qu’il ne paraît.
Il faut distinguer deux phénomènes :
La vitesse de l’information : correspond à la vitesse de mise en marche des l’électrons (ou porteurs de charge). Pour illustrer cette différence, prenons l’image d’une file d'automobiles arrêtées à un feu rouge. Lorsque le feu passe au vert, la première voiture démarre, puis une seconde après la deuxième voiture démarre, encore une seconde et c'est la troisième qui bouge… Si on estime qu’il y a une voiture tous les 4 mètres, on voit que l’information se déplace à une vitesse de 4 m/s. Cette vitesse est très différente de la vitesse d'une automobile qui démarre soit environ 1 km/h, représentant 0,28 m/s.
Pour le courant électrique, la vitesse de l’information est la vitesse de la lumière dans le milieu, soit environ 226 000 km/s dans l’eau<ref name="réfraction">L’eau a un indice de réfraction de 1,33 et le cuivre de 1,1</ref> (courant électrique dans une solution saline) et 273 000 km/s dans le cuivre<ref name="réfraction"/> (courant électrique dans un fil). Autant dire qu'un électron démarre et atteint sa vitesse de croisière instantanément, par contre il n'accélère plus ensuite.
Lorsqu'on ferme l’interrupteur, on crée un champ électrique. Cette variation de champ électrique se propage à l'appareil alimenté. Ainsi, dans le cas d’une ampoule reliée à un interrupteur par un fil de cuivre de 10 m, l’ampoule s’allume 4.10-8 secondes après la fermeture de l’interrupteur (40 ns ou encore quatre centièmes de millionième de seconde).
Les charges, elles, se déplacent beaucoup plus lentement, environ 60 cm par heure dans un fil de cuivre. Ainsi, lorsqu’on allume la lumière, ce n’est pas un flot d'électrons sortant du générateur qui suit le fil, passe par l’interrupteur, par l’ampoule et finit par retourner au générateur.
En fait, le courant domestique étant alternatif (50 ou 60 Hz selon les pays), les électrons font des allers-retours 50 ou 60 fois par seconde (ils ne bougent quasiment pas).
Les électrons sont les maillons d’une chaîne reliant la centrale électrique et l’ampoule des deux côtés ; quand on tire une charge avec une chaîne, le maillon que la main tient ne rencontre jamais la charge, d'autant plus si on inverse régulièrement le sens de traction.
L’électricité fait partie d’une discipline plus vaste, l’électromagnétisme, qui regroupe les phénomènes électriques et magnétiques suivants :
La cohésion des atomes de la matière fait intervenir des interactions électriques dans toute la matière. Les cristaux ioniques (sels) en sont un exemple spectaculaire. En général, il s’agit de phénomènes ni très visibles, ni évidents, mais ils sont fondamentaux ; les forces électromagnétiques et électrofaibles font partie des interactions fondamentales qui structurent tout l’univers.
Les bruits électromagnétiques et radioélectriques sont le résultat de tous les courants électriques induisant une multitude de champs et signaux parasites.
(cf. La compatibilité électromagnétique)
La méthode la plus courante pour produire de grandes quantités d'électricité est d'utiliser un générateur, convertissant une énergie mécanique en une tension alternative. D'une manière générale la source n'est pas forcément mécanique.
Cette énergie d'origine mécanique est la plupart du temps obtenue à partir d'une source de chaleur, issue elle-même d'une énergie naturelle, telles les énergies fossiles, pétrole, nucléaires ou une énergie renouvelable l'énergie solaire.
On peut également directement utiliser une énergie mécanique, l'énergie hydraulique ou l'énergie éolienne.
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