COURS D’ÉLECTRICITÉ GÉNÉRALE, 2ÈME ANNÉE HUMANITÉS TECHNIQUES, OPTION MÉCANIQUE AUTOMOBILE

Edition 2025 / Enseignement primaire, secondaire et technique en RDC.

0. PRÉLIMINAIRES ET CADRE PÉDAGOGIQUE

0.1. Objectifs Généraux du Cours

Ce module vise la maîtrise des lois fondamentales régissant l’électricité dynamique et le magnétisme, socle indispensable pour l’appréhension des systèmes embarqués automobiles. L’apprenant doit acquérir la capacité d’analyser les phénomènes d’induction électromagnétique et de comprendre la production, la transformation et l’utilisation de l’énergie électrique dans un contexte véhiculaire. La finalité est de préparer l’élève à l’étude spécifique de l’électricité automobile (circuits de charge, démarrage, éclairage) abordée en 3ème année (ex-5ème), en lui fournissant les outils conceptuels pour diagnostiquer les pannes sur des alternateurs ou des démarreurs, qu’il s’agisse de véhicules légers à Kinshasa ou d’engins lourds dans les mines de Kolwezi.

0.2. Directives Méthodologiques

L’enseignement privilégie une approche inductive où l’observation des phénomènes physiques précède la formalisation mathématique. Les séances théoriques s’appuient systématiquement sur des démonstrations expérimentales concrètes réalisables en laboratoire. L’enseignant doit connecter chaque principe physique (comme la loi de Laplace) à son application directe dans le véhicule (le démarreur). L’usage de l’analogie hydraulique reste pertinent pour la compréhension des tensions et courants, mais doit être rapidement dépassé pour aborder les spécificités de l’électromagnétisme.

0.3. Sécurité et Normes

La manipulation de l’énergie électrique impose une rigueur absolue concernant la sécurité des personnes et des équipements. Ce volet insiste sur les effets physiologiques du courant électrique, les notions de tension de sécurité et les procédures d’isolement des circuits. L’accent est mis sur la prévention des courts-circuits, cause majeure d’incendies de véhicules sur les routes nationales, et sur l’utilisation correcte des équipements de protection individuelle (EPI) lors des interventions en atelier.

0.4. Matériel Didactique Requis

La réalisation des objectifs pédagogiques nécessite l’accès à un laboratoire équipé de générateurs de courant continu et alternatif, d’oscilloscopes pour visualiser les formes d’ondes, de multimètres numériques et analogiques, ainsi que de maquettes démontables de machines tournantes (dynamos, alternateurs, moteurs). Des bobines, aimants permanents et noyaux ferromagnétiques sont indispensables pour les expériences sur l’électromagnétisme.

PARTIE 1 : FONDEMENTS MAGNÉTIQUES ET INDUCTION ÉLECTROMAGNÉTIQUE 🧲

Cette première partie établit les bases physiques nécessaires à la compréhension de la production d’électricité dans l’automobile. Elle explore la relation intrinsèque entre le magnétisme et l’électricité, démontrant comment l’interaction entre un champ magnétique et un conducteur peut générer un courant ou un mouvement. La maîtrise de ces concepts est le prérequis absolu pour comprendre le fonctionnement de l’alternateur (source d’énergie du véhicule) et du démarreur.

Chapitre 1 : Le Magnétisme et les Champs Magnétiques

1.1. Nature et propriétés des aimants

Cette section étudie la constitution physique des aimants permanents et artificiels, en distinguant les matériaux ferromagnétiques, paramagnétiques et diamagnétiques. L’élève apprend à identifier les pôles magnétiques et à visualiser les lignes de champ, concept abstrait rendu concret par l’usage de la limaille de fer. Cette connaissance s’applique directement au diagnostic des capteurs magnétiques utilisés pour l’ABS ou la position du vilebrequin.

1.2. Le champ magnétique et le spectre magnétique

L’analyse se porte sur la topologie de l’espace environnant un aimant ou un conducteur parcouru par un courant. Nous définissons le vecteur induction magnétique , son orientation, son sens et son intensité mesurée en Tesla. La compréhension du spectre magnétique permet d’appréhender les phénomènes d’attraction et de répulsion à l’œuvre dans les relais et les électroaimants de commande.

1.3. L’électromagnétisme : Champ créé par un courant

Ce sous-chapitre démontre la création d’un champ magnétique par le passage d’un courant électrique dans un conducteur rectiligne, une spire et un solénoïde. L’élève étudie la règle du tire-bouchon de Maxwell et la règle de la main droite pour déterminer le sens du champ. Ces principes expliquent le fonctionnement des bobines d’allumage et des injecteurs électromagnétiques présents sur les moteurs modernes.

1.4. Le circuit magnétique et la force magnétomotrice

Nous abordons ici la notion de réluctance, analogue magnétique de la résistance électrique, et la loi d’Hopkinson. L’étude se focalise sur la canalisation du flux magnétique à travers des noyaux de fer doux feuilletés pour limiter les pertes. Cette section est cruciale pour comprendre l’architecture des stators et rotors des machines électriques utilisées dans l’industrie automobile et les équipements de garage à Lubumbashi.

Chapitre 2 : Les Principes de l’Induction Électromagnétique

2.1. Le phénomène d’induction : Expériences fondamentales

À travers les expériences de déplacement d’un aimant dans une bobine, l’élève découvre la naissance d’un courant induit sans contact physique. Cette section met en évidence la nécessité d’une variation temporelle du flux magnétique pour générer de l’électricité. C’est le principe physique cœur du fonctionnement des capteurs de vitesse de roue et des générateurs d’impulsions d’allumage.

2.2. Le flux d’induction magnétique

Définition mathématique et physique du flux magnétique  traversant une surface. L’élève apprend à calculer le flux en fonction de l’intensité du champ, de la surface et de l’angle d’incidence. La maîtrise de ce concept permet de comprendre pourquoi l’efficacité d’un alternateur dépend de la géométrie de ses bobinages et de la vitesse de rotation du moteur thermique.

2.3. Variation de flux et création de courant

Analyse détaillée des mécanismes provoquant la variation de flux : variation de l’intensité du champ, déformation du circuit ou rotation de la bobine. Cette section prépare directement à l’étude de la production de courant alternatif sinusoïdal par rotation, base de la production d’énergie à bord des véhicules circulant de Matadi à Kasumbalesa.

2.4. Applications pratiques de l’induction statique

Étude des transformateurs et des bobines d’induction où le flux varie sans mouvement mécanique, uniquement par variation du courant primaire. L’élève comprend ici le principe de l’élévation de tension nécessaire à l’allumage des bougies (transformation de 12V en haute tension) et le fonctionnement des pinces ampèremétriques utilisées pour le diagnostic.

Chapitre 3 : Les Lois Fondamentales de l’Induction

3.1. La loi de Lenz : Modération des effets

Énoncé et interprétation de la loi de Lenz qui stipule que le courant induit s’oppose par ses effets à la cause qui lui donne naissance. Cette loi explique les phénomènes de freinage électromagnétique et l’auto-régulation de certains systèmes. Elle est fondamentale pour comprendre la réaction d’induit dans les machines tournantes.

3.2. La loi de Faraday : Quantification de la Force Électromotrice

Formulation mathématique reliant la force électromotrice (F.É.M.) induite à la vitesse de variation du flux magnétique (). L’élève apprend que plus la variation est rapide (vitesse de rotation élevée du moteur), plus la tension produite est grande, introduisant la nécessité d’une régulation de tension sur les véhicules.

3.3. L’auto-induction et le coefficient de self-induction

Étude du phénomène où un circuit est le siège d’une force électromotrice induite par la variation de son propre courant. Définition de l’inductance (Henry). Ce concept est vital pour comprendre le comportement des bobines lors de l’ouverture des rupteurs (vis platinées) ou des transistors de puissance, générant des surtensions potentiellement destructrices ou utiles pour l’étincelle.

3.4. Courants de Foucault et pertes magnétiques

Analyse des courants parasites induits dans les masses métalliques soumises à des flux variables. Explication des méthodes de réduction de ces pertes par feuilletage des noyaux magnétiques. Cette section justifie les choix technologiques de construction des armatures de démarreurs et d’alternateurs pour optimiser le rendement énergétique.

Chapitre 4 : Forces Électromagnétiques et Production de Mouvement

4.1. La loi de Laplace : Interaction Champ-Courant

Description de la force mécanique exercée sur un conducteur parcouru par un courant et placé dans un champ magnétique. L’élève apprend à déterminer le sens de la force (règle des trois doigts) et à calculer son intensité (). C’est le principe fondateur de tout moteur électrique, du lève-vitre au démarreur de camion.

4.2. La loi de Lorentz : Action sur les charges mobiles

Approche microscopique de la force électromagnétique agissant sur les électrons en mouvement. Bien que plus théorique, cette section permet de comprendre le fonctionnement interne des composants électroniques à effet Hall et la déviation des faisceaux d’électrons dans les tubes cathodiques des anciens oscilloscopes d’atelier.

4.3. Le couple électromagnétique

Passage de la force linéaire au mouvement rotatif. Analyse des forces s’exerçant sur une spire rectangulaire parcourue par un courant, créant un couple de rotation. L’élève saisit comment l’énergie électrique de la batterie est convertie en couple mécanique pour lancer le moteur thermique via le démarreur.

4.4. Application aux appareils de mesure magnéto-électriques

Étude du fonctionnement du galvanomètre à cadre mobile. L’élève comprend comment les principes de Laplace permettent de convertir un courant électrique en déplacement d’aiguille sur un cadran, expliquant le fonctionnement interne des ampèremètres et voltmètres analogiques encore présents sur les tableaux de bord de certains engins de chantier et véhicules utilitaires.

PARTIE 2 : ANALYSE DU COURANT ALTERNATIF ET CIRCUITS ⚡

Cette seconde partie marque la transition vers l’étude des courants variables périodiques. Bien que la batterie stocke du courant continu (DC), la majorité de l’électricité produite dans le véhicule (par l’alternateur) et consommée par certains actuateurs est de nature alternative ou pulsée. Une compréhension fine des paramètres du courant alternatif (AC) et du comportement des composants passifs (R, L, C) en fréquence est indispensable pour le diagnostic des circuits électroniques modernes et des systèmes de charge.

Chapitre 5 : Nature et Caractéristiques du Courant Alternatif

5.1. Génération d’une tension sinusoïdale

Explication du processus de création d’une tension alternative par la rotation uniforme d’une spire dans un champ magnétique constant. L’élève établit l’équation horaire de la tension () et lie la vitesse angulaire de l’alternateur à la fréquence du signal électrique produit.

5.2. Grandeurs fondamentales : Période et Fréquence

Définition précise de la période (), de la fréquence () et de la pulsation (). Calculs pratiques et conversion d’unités. Ces notions sont essentielles pour l’interprétation des signaux visualisés à l’oscilloscope lors du diagnostic des capteurs PMH (Point Mort Haut) ou des signaux d’injection dans les garages de Kinshasa.

5.3. Valeurs instantanées, maximales et efficaces

Distinction cruciale entre l’amplitude maximale d’un signal et sa valeur efficace (RMS), qui correspond à son équivalent thermique en courant continu. L’élève apprend pourquoi un voltmètre standard indique 230V ou 12V (efficace) alors que la tension de crête est supérieure, évitant des erreurs d’interprétation lors des mesures de tensions redressées.

5.4. Représentation vectorielle de Fresnel

Introduction à l’outil graphique permettant de représenter les tensions et courants sinusoïdaux par des vecteurs tournants. Cette méthode simplifie grandement l’addition de tensions déphasées et l’analyse des circuits électriques en régime alternatif, préparant l’élève à comprendre les décalages entre courant et tension.

Chapitre 6 : Comparaison Courant Continu et Alternatif

6.1. Distinction conceptuelle et propriétés

Analyse comparative des deux modes de transport de l’énergie. Le courant continu (unidirectionnel, stockable chimiquement) est opposé au courant alternatif (bidirectionnel, transformable facilement). Cette section clarifie pourquoi les véhicules utilisent un système hybride : production en AC (alternateur) et stockage/utilisation majoritaire en DC (batterie).

6.2. Effets thermiques et chimiques comparés

Étude de l’effet Joule (identique dans les deux cas) et des effets électrolytiques (propres au courant continu). L’élève comprend pourquoi la batterie ne peut être chargée qu’avec du courant continu et les conséquences destructrices d’une tentative de charge en alternatif, ainsi que les principes de corrosion galvanique sur les châssis.

6.3. Transport et distribution de l’énergie

Explication des avantages du courant alternatif pour le transport d’énergie sur longue distance (réseau SNEL d’Inga) grâce aux transformateurs, et des contraintes du courant continu basse tension dans le câblage automobile (pertes en ligne, section des câbles). Calcul de la chute de tension admissible dans un faisceau électrique de camion.

6.4. Redressement et lissage

Introduction aux techniques de conversion AC vers DC. Principe du redressement simple et double alternance (pont de Graetz) et du filtrage par condensateur. Ce point fait le lien direct avec le pont de diodes intégré à l’alternateur automobile, composant fréquent de panne dans les environnements chauds.

Chapitre 7 : Comportement des Composants en Régime Alternatif

7.1. Le circuit résistif pur

Analyse du comportement d’une résistance en courant alternatif : absence de déphasage entre courant et tension. Application aux éléments chauffants (bougies de préchauffage, dégivrage) qui se comportent identiquement en AC et DC, permettant des tests simples au multimètre.

7.2. Le circuit inductif : La bobine en AC

Étude de l’inductance en régime sinusoïdal. Mise en évidence du retard du courant sur la tension et de la réactance inductive (). L’élève comprend pourquoi une bobine présente une forte opposition aux variations rapides de courant, principe utilisé pour le filtrage des parasites dans les autoradios et les calculateurs.

7.3. Le circuit capacitif : Le condensateur en AC

Analyse du comportement du condensateur qui laisse « passer » le courant alternatif tout en bloquant le continu. Notion de réactance capacitive (). Cette propriété est exploitée dans les circuits de découplage électronique et la protection des contacts rupteurs contre l’arc électrique.

7.4. Le circuit RLC série et la résonance

Synthèse du comportement d’un circuit comportant les trois éléments. Construction du diagramme de Fresnel global et définition de l’impédance (). Étude du phénomène de résonance où les effets inductifs et capacitifs s’annulent, crucial pour comprendre certains circuits d’oscillateurs et les problèmes de compatibilité électromagnétique.

Chapitre 8 : Puissance et Énergie en Alternatif Monophasé

8.1. Puissance instantanée et puissance active

Définition de la puissance réellement transformée en travail (mécanique ou thermique), notée  et exprimée en Watts. Calcul de la puissance moyenne absorbée par les équipements du véhicule. Distinction avec la puissance mesurée en courant continu.

8.2. Puissance réactive et apparente

Introduction aux notions de puissance fluctuante entretenue par les bobines et condensateurs (Puissance réactive , en VAR) et de la puissance de dimensionnement de la source (Puissance apparente , en VA). Ces concepts aident à comprendre le dimensionnement des alternateurs qui doivent fournir plus que la simple somme des watts consommés.

8.3. Le facteur de puissance ()

Analyse de l’efficacité de l’utilisation de l’énergie électrique. Un mauvais facteur de puissance implique des courants de ligne plus élevés pour une même puissance utile, augmentant les pertes par effet Joule. Importance de ce paramètre dans les installations d’atelier et les gros équipements de diagnostic.

8.4. Bilan de puissance et rendement

Méthodologie pour établir le bilan énergétique d’une installation ou d’un véhicule. Calcul du rendement global d’un système électrique, prenant en compte les pertes fer et les pertes cuivre. Sensibilisation à l’économie d’énergie et à l’optimisation des consommateurs électriques sur le véhicule pour préserver la batterie.

PARTIE 3 : MACHINES ÉLECTRIQUES TOURNANTES ET APPLICATIONS AUTOMOBILES ⚙️

Cette dernière partie synthétise les acquis précédents pour étudier les machines électromécaniques. Elle constitue le cœur technique du programme de 2ème année pour l’option Mécanique Auto, car elle décortique les organes majeurs que l’élève rencontrera quotidiennement : le générateur (alternateur) et le moteur (démarreur, moteurs d’accessoires). L’étude s’étend au système triphasé, standard universel de la production d’énergie à bord des véhicules modernes.

Chapitre 9 : Architecture et Principes des Machines Tournantes

9.1. Structure générale : Stator et Rotor

Description anatomique commune aux machines tournantes : la partie fixe (stator/inducteur ou induit) et la partie mobile (rotor/induit ou inducteur). Étude des matériaux utilisés, des techniques de bobinage et des systèmes de paliers et roulements, dont l’usure mécanique est une cause fréquente de défaillance électrique.

9.2. Réversibilité des machines électriques

Démonstration du principe selon lequel une même machine peut fonctionner soit en moteur (reçoit de l’électricité, fournit du mouvement), soit en génératrice (reçoit du mouvement, fournit de l’électricité). Application conceptuelle aux alterno-démarreurs modernes (systèmes Stop & Start) qui commencent à apparaître sur le parc automobile congolais.

9.3. Le collecteur et les balais

Étude détaillée du système de commutation mécanique pour les machines à courant continu. Analyse de l’usure des charbons (balais), du rôle des ressorts de pression et de l’entretien du collecteur (nettoyage, rectification). Ce point est crucial pour la maintenance préventive des démarreurs de camions sur les pistes poussiéreuses.

9.4. Champs tournants et synchronisme

Explication de la création d’un champ magnétique tournant par des bobinages statiques alimentés en déphasé. Distinction entre la vitesse de synchronisme du champ et la vitesse réelle du rotor. Introduction aux notions de glissement pour les moteurs asynchrones utilisés dans les ponts élévateurs et compresseurs d’atelier.

Chapitre 10 : Les Générateurs : Dynamo et Alternateur

10.1. La génératrice à courant continu (Dynamo)

Bien que technologiquement obsolète sur les véhicules récents, l’étude de la dynamo permet de comprendre les principes de l’auto-excitation et de la commutation. Analyse de son fonctionnement, de ses limitations (usure du collecteur, faible débit au ralenti) et des raisons historiques de son remplacement.

10.2. L’alternateur monophasé

Principe de production d’une tension alternative par un aimant tournant devant une bobine fixe. Étude de la relation entre la vitesse de rotation et la fréquence. Compréhension de l’induction dans un induit fixe, permettant de collecter le courant sans usure mécanique importante, avantage décisif de l’alternateur.

10.3. L’alternateur triphasé : Standard automobile

Structure de l’alternateur automobile moderne : rotor à griffes (électroaimant d’excitation) et stator triphasé. Explication de la génération de trois tensions déphasées de 120°. Ce sous-chapitre justifie le rendement supérieur et la régularité du courant produit, indispensables pour l’électronique de bord sensible.

10.4. Régulation de la tension générée

Nécessité de stabiliser la tension de sortie indépendamment du régime moteur (ralenti vs pleine vitesse) et de la charge électrique. Principe de la variation du courant d’excitation du rotor pour moduler le champ magnétique. Introduction aux régulateurs électromécaniques (historiques) et électroniques intégrés.

Chapitre 11 : Le Système Triphasé

11.1. Production et représentation du triphasé

Analyse vectorielle des trois tensions sinusoïdales décalées temporellement. Avantages du triphasé en termes de puissance instantanée constante (couple vibrant moins) et d’optimisation de la section des conducteurs (cuivre). Pertinence pour les alternateurs de poids lourds.

11.2. Couplage en Étoile (Star)

Technique de connexion des enroulements du stator avec un point neutre commun. Analyse des relations entre tension simple (phase-neutre) et tension composée (phase-phase). Étude de l’avantage de ce couplage pour l’amorçage de la charge à bas régime moteur, configuration typique des alternateurs auto.

11.3. Couplage en Triangle (Delta)

Technique de connexion des enroulements en boucle fermée. Relations tensions-courants spécifiques. Discussion sur l’utilisation de ce couplage pour les alternateurs à haut débit destinés aux véhicules nécessitant beaucoup de courant à haut régime (véhicules d’intervention, bus).

11.4. Redressement du courant triphasé

Étude approfondie du pont de diodes triphasé (pont de Graetz à 6 diodes). Analyse graphique de la tension redressée résultante, montrant une ondulation résiduelle très faible comparée au monophasé. Compréhension du rôle des diodes de puissance et des diodes d’excitation (trio) dans l’alternateur.

Chapitre 12 : Applications Spécifiques à l’Automobile

12.1. Le moteur à courant continu série (Le Démarreur)

Étude spécifique du moteur à excitation série, caractérisé par un couple de démarrage exceptionnel capable de vaincre la compression du moteur thermique. Analyse des risques d’emballement à vide et de la relation courant-couple. C’est la technologie universelle des démarreurs électriques.

12.2. Les moteurs à excitation shunt et aimants permanents

Analyse des moteurs utilisés pour les accessoires (essuie-glaces, ventilateurs, lève-vitres). Étude de leur vitesse stable et de la facilité d’inversion de sens de rotation. Focus sur les moteurs à aimants permanents modernes, plus compacts et légers, réduisant la consommation globale du véhicule.

12.3. Les actionneurs électromagnétiques et Relais

Application des solénoïdes pour créer un mouvement linéaire. Fonctionnement du contacteur de démarreur (solénoïde d’engagement), des injecteurs de carburant et des relais de puissance. L’élève apprend à tester la résistance de la bobine et la continuité des contacts de ces organes vitaux.

12.4. Capteurs inductifs et générateurs d’impulsions

Étude des capteurs magnétiques passifs utilisés pour mesurer la vitesse de rotation (ABS, régime moteur). Principe de la variation de réluctance au passage d’une cible dentée générant une tension alternative induite. Analyse de la forme du signal et de son amplitude variable avec la vitesse, essentielle pour le diagnostic électronique.

ANNEXES

Annexe A : Symboles Électriques Normalisés (DIN/ISO)

Répertoire complet des symboles graphiques utilisés dans les schémas électriques automobiles (batterie, masse, fusibles, bobines, diodes, alternateurs). Cette annexe sert de référence pour la lecture des plans de câblage des constructeurs (Toyota, Mercedes, etc.) lors des travaux pratiques.

Annexe B : Rappels Mathématiques pour l’Électricien

Fiches de synthèse sur la manipulation des vecteurs, la trigonométrie de base (sinus, cosinus, tangente) nécessaire aux diagrammes de Fresnel, et les formules de calcul de surfaces et volumes pour les conducteurs. Inclut également les préfixes du système international (micro, milli, kilo, Mega).

Annexe C : Tableau des Conducteurs et Fusibles

Abaques de dimensionnement des câbles électriques (section en mm² vs intensité maximale admissible) pour éviter les surchauffes. Guide des codes couleurs des fusibles plats standardisés et procédures de remplacement sécurisé.

Annexe D : Lexique Technique Français-Anglais

Glossaire des termes techniques essentiels (Coil, Spark plug, Alternator, Current, Ground, Fuse) permettant aux élèves de décrypter les manuels de réparation et les catalogues de pièces détachées souvent rédigés en anglais technique.