ÉLECTRICITÉ

OPTION CONSTRUCTION – 3ÈME ANNÉE

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

Préliminaire

Objectifs du cours

Ce cours a pour objectif de doter le technicien en construction d’une base scientifique et pratique suffisante pour comprendre les phénomènes essentiels de l’électricité. L’ambition est de lui permettre d’appréhender le fonctionnement, de maîtriser l’utilisation et d’assurer l’entretien indispensable des appareils, machines et installations électriques couramment employés sur un chantier. Il s’agit de démystifier l’électricité pour en faire un outil de travail maîtrisé et sécurisé, plutôt qu’une source de danger. ⚡

Approche Pédagogique

Résolument ancré dans le réel, l’enseignement privilégiera une démarche expérimentale, s’appuyant sur un matériel didactique adéquat pour illustrer chaque loi et chaque concept. Tout exposé purement théorique sera systématiquement proscrit au profit de manipulations et d’applications directes. Une attention particulière sera portée à la résolution de nombreux exercices numériques, afin que les élèves s’approprient réellement les formules de calcul de puissance, d’intensité ou de chute de tension. L’esprit pratique et l’utilité pour le métier de constructeur guideront en permanence la progression pédagogique.

Compétences Visées

Au terme de cette année, l’élève détiendra les compétences suivantes :

• Analyser : Identifier les grandeurs fondamentales d’un circuit en courant continu (tension, intensité, résistance) et expliquer leur interaction via la loi d’Ohm.
• Calculer : Appliquer les formules de puissance et d’énergie pour déterminer la consommation d’un appareil ou les pertes dans une ligne électrique.
• Comprendre : Expliquer les principes de base du magnétisme et de l’électromagnétisme, et leur application dans les machines électriques et les appareils de commande.
• Sécuriser : Reconnaître les principaux dangers du courant électrique et identifier les dispositifs de protection des personnes et des biens.

Modalités d’Évaluation

L’évaluation mesurera la capacité de l’élève à appliquer les connaissances à des problèmes concrets. Elle combinera des interrogations écrites centrées sur la résolution d’exercices numériques et des évaluations pratiques portant sur la réalisation de mesures simples (tension, courant) sur des circuits didactiques. Un examen final de synthèse validera la compréhension globale des phénomènes et la capacité à analyser un circuit électrique simple, comme celui d’un engin de chantier. 🔌

Partie I : Les Fondements du Courant Électrique Continu

Cette partie introductive établit les bases conceptuelles de l’électricité. En partant de la structure de la matière, elle définit les grandeurs physiques fondamentales (courant, tension, résistance) et les lois qui les régissent, pour aboutir à la compréhension du fonctionnement et du bilan énergétique d’un circuit simple en courant continu.

Chapitre 1 : De la Matière à l’Électricité

Pour comprendre le courant électrique, il faut d’abord comprendre la nature de la matière qui le transporte. Ce chapitre explore la structure de l’atome pour y trouver l’origine du phénomène électrique.

1.1. La Structure de la Matière

Un voyage au cœur de la matière permet de découvrir ses constituants élémentaires : la molécule, l’atome, et surtout l’électron, cette particule dont le mouvement ordonné est à l’origine du courant électrique.

1.2. Les Différentes Formes d’Énergie

L’électricité n’est qu’une des nombreuses formes que peut prendre l’énergie. Une présentation des principales formes (potentielle, cinétique, calorifique, chimique, électrique) et de leurs conversions possibles met en perspective le rôle de l’électricité comme vecteur énergétique.

1.3. La Notion de Courant Électrique

Le courant électrique est défini comme un déplacement d’ensemble de charges électriques, généralement des électrons. Son sens conventionnel et les effets qu’il produit (calorifique, chimique, magnétique) sont mis en évidence par l’expérience.

1.4. Conducteurs, Isolants et Interrupteurs

Tous les matériaux ne se laissent pas traverser de la même manière par le courant. La distinction fondamentale entre les conducteurs, qui facilitent son passage, et les isolants, qui s’y opposent, est expliquée, ainsi que le rôle de l’interrupteur pour commander le circuit.

Chapitre 2 : Les Grandeurs Fondamentales du Courant Continu

Pour décrire et quantifier les phénomènes électriques, un système de grandeurs physiques et d’unités est nécessaire. Ce chapitre définit les trois grandeurs clés de tout circuit : l’intensité, la tension et la résistance.

2.1. L’Intensité du Courant (Ampère)

L’intensité du courant mesure le débit des charges électriques. Son unité, l’ampère (A), et le concept de quantité d’électricité (Q = I.t), mesurée en coulombs, sont introduits.

2.2. La Différence de Potentiel ou Tension (Volt)

Pour que le courant circule, il faut une « force » pour pousser les électrons. Cette force motrice est la tension, ou différence de potentiel, dont l’unité est le volt (V).

2.3. La Résistance Électrique (Ohm)

La résistance est la propriété d’un matériau à s’opposer plus ou moins au passage du courant. Son unité, l’ohm (Ω), et les notions de résistance de contact et de résistance d’isolement sont étudiées.

2.4. La Mesure des Grandeurs Électriques

L’utilisation correcte des appareils de mesure est une compétence de base du technicien. L’élève apprend à brancher un ampèremètre (en série) et un voltmètre (en parallèle) pour mesurer l’intensité et la tension dans un circuit.

Chapitre 3 : Les Lois des Circuits en Courant Continu

Les grandeurs électriques sont liées entre elles par des lois physiques fondamentales. Ce chapitre explore la loi d’Ohm, qui régit les circuits simples, et la loi de Pouillet, qui détermine la résistance d’un conducteur.

3.1. La Loi d’Ohm : Relation Fondamentale

La loi d’Ohm (U = R.I) établit la relation de proportionnalité entre la tension aux bornes d’un récepteur, la résistance de ce dernier et l’intensité du courant qui le traverse. Sa maîtrise est absolue.

3.2. La Loi de Pouillet : Résistance des Conducteurs

La résistance d’un fil conducteur dépend de sa longueur, de sa section et de la nature du matériau qui le compose (la résistivité). La loi de Pouillet (R = ρ.l/S) permet de la calculer, une compétence essentielle pour le choix des câbles d’alimentation sur un chantier à Matadi.

3.3. L’Association des Résistances

Les résistances dans un circuit peuvent être groupées en série ou en parallèle. Les règles de calcul de la résistance équivalente pour chaque type de montage sont établies et appliquées sur des exercices.

3.4. Le Phénomène de Chute de Tension en Ligne

Lorsqu’un courant parcourt un long câble d’alimentation, une partie de la tension est perdue en raison de la résistance du câble. Le calcul de cette chute de tension est crucial pour assurer une alimentation correcte des machines de chantier.

Chapitre 4 : Énergie et Puissance Électrique

L’électricité est avant tout un moyen de transporter et d’utiliser de l’énergie. Ce chapitre se concentre sur les notions de travail, de puissance et de rendement, qui permettent de quantifier les bilans énergétiques.

4.1. Le Travail et l’Énergie Électrique (Joule)

Le travail électrique (W = U.I.t) représente l’énergie consommée par un appareil pendant une certaine durée. Son unité dans le système international est le joule (J).

4.2. La Puissance Électrique (Watt)

La puissance (P = U.I) est l’énergie consommée par unité de temps. Elle caractérise la « force » d’un appareil électrique et s’exprime en watts (W).

4.3. La Loi de Joule et ses Applications

Le passage du courant dans une résistance dégage de la chaleur : c’est l’effet Joule. Ce phénomène est à la base du fonctionnement des appareils de chauffage, mais il est aussi la cause des pertes d’énergie dans les lignes électriques.

4.4. La Notion de Rendement Énergétique

Le rendement d’un appareil (comme un moteur) est le rapport entre la puissance utile (mécanique) qu’il fournit et la puissance électrique qu’il absorbe. Il quantifie son efficacité énergétique.

Partie II : Les Sources et les Effets du Courant Électrique

Cette partie explore les dispositifs qui produisent le courant continu et les phénomènes magnétiques qui lui sont intimement liés. La compréhension du magnétisme et de l’électromagnétisme est la clé pour aborder le fonctionnement de toutes les machines électriques tournantes.

Chapitre 5 : Les Générateurs Électrochimiques

Les piles et les accumulateurs transforment l’énergie chimique en énergie électrique. Ce sont des sources de courant continu autonomes, essentielles pour de nombreux équipements.

5.1. Le Principe de la Pile Électrochimique

Le fonctionnement de base d’une pile est expliqué à travers l’exemple historique de la pile Leclanché, en montrant comment une réaction chimique peut générer une différence de potentiel.

5.2. Les Piles Sèches : Caractéristiques et Usages

Les piles sèches modernes, dérivées de la pile Leclanché, sont étudiées. Leurs caractéristiques (tension, capacité) et leurs multiples usages dans les appareils portatifs sont présentés.

5.3. L’Accumulateur au Plomb : Charge et Décharge

Contrairement à une pile, un accumulateur est rechargeable. Le principe de fonctionnement, la description et les caractéristiques de la batterie d’accumulateurs au plomb, utilisée pour le démarrage de tous les engins de chantier, sont abordés. 🔋

5.4. L’Association des Générateurs

Pour obtenir des tensions ou des capacités plus élevées, il est possible d’associer des piles ou des batteries en série ou en parallèle. Les règles de calcul pour ces montages sont établies.

Chapitre 6 : Le Magnétisme et les Circuits Magnétiques

Le magnétisme est un phénomène physique distinct de l’électricité, mais qui interagit fortement avec elle. Sa maîtrise est indispensable pour comprendre les moteurs et les transformateurs.

6.1. Les Aimants Permanents et le Champ Magnétique

L’étude des aimants permanents permet d’introduire les notions de pôles magnétiques, de champ magnétique et de lignes de champ, qui visualisent l’action de l’aimant dans l’espace.

6.2. L’Induction Magnétique et le Flux Magnétique

L’induction magnétique (B) quantifie l’intensité du champ magnétique, tandis que le flux magnétique (Φ) représente la quantité de magnétisme traversant une surface.

6.3. Le Circuit Magnétique et la Loi d’Hopkinson

Par analogie avec le circuit électrique, le concept de circuit magnétique est introduit, avec ses grandeurs correspondantes : la force magnétomotrice (analogue à la tension) et la réluctance (analogue à la résistance). La loi d’Hopkinson en est l’équivalent de la loi d’Ohm.

6.4. Application aux Électro-aimants

L’application la plus importante du magnétisme en électrotechnique est l’électro-aimant, qui permet de créer un champ magnétique puissant et contrôlable en faisant passer un courant dans une bobine.

Chapitre 7 : L’Électromagnétisme : Le Lien entre Électricité et Magnétisme

L’électromagnétisme est la branche de la physique qui unifie l’électricité et le magnétisme, en montrant qu’un champ magnétique variable peut créer un courant électrique, et inversement.

7.1. L’Expérience d’Oersted et la Force de Laplace

L’expérience historique d’Oersted a démontré qu’un courant électrique crée un champ magnétique. La force qui s’exerce sur un conducteur parcouru par un courant et placé dans un champ magnétique (force de Laplace) est le principe de base de tous les moteurs électriques.

7.2. L’Induction Électromagnétique (Loi de Faraday)

Le phénomène inverse, la production d’une tension dans un circuit soumis à une variation de flux magnétique, est appelé induction électromagnétique. La loi de Faraday (e = -dΦ/dt) permet de calculer cette tension induite.

7.3. La Loi de Lenz et le Sens du Courant Induit

La loi de Lenz, traduite par le signe « moins » dans la formule de Faraday, stipule que le courant induit s’oppose toujours par ses effets à la cause qui lui a donné naissance.

7.4. Les Courants de Foucault

Les courants induits qui apparaissent dans les masses métalliques soumises à un flux variable sont appelés courants de Foucault. Bien que souvent indésirables (pertes), ils sont aussi utilisés dans certaines applications (freinage, chauffage par induction).

Chapitre 8 : Applications de l’Électromagnétisme

Les principes de l’électromagnétisme sont à la base du fonctionnement de toutes les machines qui convertissent l’énergie électrique en énergie mécanique ou vice-versa.

8.1. Le Principe du Moteur à Courant Continu

Le fonctionnement d’un moteur à courant continu est expliqué comme une application directe de la force de Laplace, qui met en rotation un ensemble de conducteurs (le rotor) parcourus par un courant.

8.2. Le Principe de la Génératrice (Dynamo)

Le fonctionnement d’une génératrice est expliqué comme une application directe de l’induction électromagnétique, où la rotation d’une bobine dans un champ magnétique engendre une tension à ses bornes.

8.3. Le Phénomène d’Auto-induction

La variation du courant dans une bobine crée une variation de son propre flux magnétique, ce qui induit à ses bornes une tension qui s’oppose à la variation du courant. Ce phénomène est appelé auto-induction.

8.4. Le Rôle des Relais et Contacteurs Électromagnétiques

Le relais électromagnétique est un interrupteur commandé à distance grâce à un électro-aimant. Le contacteur est un relais de forte puissance, utilisé pour la commande des moteurs des engins de chantier à Bandundu.

Partie III : L’Électricité Appliquée au Chantier

Cette dernière partie a une vocation de synthèse et d’application. Elle aborde l’utilisation des appareils de mesure, les règles de sécurité indispensables sur un chantier, et propose une première introduction au courant alternatif, avant de conclure par l’analyse d’un circuit électrique concret.

Chapitre 9 : Les Appareils de Mesure Électrique

La capacité à effectuer des mesures fiables est essentielle pour le diagnostic et la maintenance des installations électriques.

9.1. Le Principe de Fonctionnement d’un Galvanomètre

Le cœur de la plupart des appareils de mesure analogiques est le galvanomètre à cadre mobile, dont la déviation est proportionnelle au courant qui le traverse. Son principe, basé sur la force de Laplace, est expliqué.

9.2. L’Ampèremètre et le Voltmètre

L’élève apprend comment, à partir d’un galvanomètre, on peut construire un ampèremètre (en ajoutant un shunt en parallèle) et un voltmètre (en ajoutant une résistance en série).

9.3. L’Ohmmètre et le Multimètre

Le fonctionnement de l’ohmmètre, qui permet de mesurer les résistances, est présenté. Le multimètre, appareil polyvalent qui regroupe ces trois fonctions, est l’outil de base de tout électricien.

9.4. Les Appareils Électromagnétiques

Une alternative à la technologie du cadre mobile est l’appareil électromagnétique, plus robuste mais moins précis, souvent utilisé dans les armoires électriques industrielles.

Chapitre 10 : Sécurité Électrique et Protection

L’électricité est une énergie puissante mais dangereuse. La connaissance des risques et des moyens de protection est une compétence non négociable pour tout intervenant sur un chantier.

10.1. Les Dangers du Courant Électrique

Les effets du courant sur le corps humain sont analysés, en distinguant l’électrisation (passage du courant) de l’électrocution (décès consécutif). Les risques de brûlures et d’incendie sont également abordés.

10.2. La Protection des Personnes

Le principal dispositif de protection des personnes contre les contacts indirects est le disjoncteur différentiel, qui détecte les fuites de courant vers la terre et coupe instantanément l’alimentation. Son principe est fondamental.

10.3. La Protection des Circuits

Pour protéger les installations contre les surintensités (surcharges et courts-circuits), les fusibles et les disjoncteurs magnéto-thermiques sont indispensables. Leur fonctionnement et leurs critères de choix sont étudiés.

10.4. Les Règles de Sécurité sur un Chantier Électrifié

Les consignes de sécurité spécifiques aux chantiers de construction sont rappelées : vérification des câbles, protection des installations contre l’eau, mise à la terre des masses métalliques, consignation avant intervention.

Chapitre 11 : Introduction au Courant Alternatif

Bien que le programme détaillé du courant alternatif soit vu en dernière année, une introduction est nécessaire dès ce stade pour comprendre le fonctionnement des machines les plus puissantes du chantier.

11.1. Différence entre Courant Continu et Alternatif

Les caractéristiques fondamentales du courant alternatif sinusoïdal, qui change de sens périodiquement, sont présentées par opposition au courant continu.

11.2. Notions de Période, Fréquence et Valeur Efficace

Les grandeurs qui caractérisent un signal alternatif sont définies : la période (T), la fréquence (f, en Hertz), et la valeur efficace, qui est la valeur de la tension ou du courant à prendre en compte pour les calculs de puissance.

11.3. La Puissance en Courant Alternatif

La notion de puissance se complexifie en alternatif. Une introduction aux concepts de puissance active (celle qui produit un travail), réactive (liée aux champs magnétiques) et apparente est proposée.

11.4. L’Importance du Triphasé pour les Moteurs de Chantier

Pour les fortes puissances, l’alimentation se fait en triphasé. Son avantage majeur pour le démarrage et le fonctionnement des moteurs asynchrones, qui équipent la plupart des machines fixes (grues, compresseurs), est souligné.

Annexes

Formulaire d’Électricité Générale

Un recueil des formules essentielles (loi d’Ohm, loi de Pouillet, lois de Joule, loi de Faraday, etc.) sera fourni pour servir d’aide-mémoire lors de la résolution des exercices. 💡

Tableau des Symboles Électriques

Une fiche synthétique rappellera les principaux symboles graphiques utilisés pour représenter les composants d’un circuit électrique (résistance, générateur, interrupteur, moteur, etc.).

Guide de Sécurité sur les Chantiers

Une liste de contrôle des points de sécurité électrique à vérifier sur un chantier sera proposée, de l’état du tableau de distribution à la mise à la terre des équipements.

Lexique Illustré d’Électricité

Un glossaire visuel définira les termes techniques spécifiques à l’électricité (électron, volt, ampère, ohm, induction, etc.), pour une parfaite maîtrise du vocabulaire professionnel.