ÉLECTRICITÉ GÉNÉRALE, 1ÈRE ANNÉE / OPTION : PÉTROCHIMIE INDUSTRIELLE

Edition 2025 / Enseignement primaire, secondaire et technique en RDC

Préliminaires

1. Finalités de la formation

La formation en électricité générale a pour finalité de construire chez l’élève un socle de connaissances théoriques et pratiques sur les phénomènes électriques. L’objectif est de lui permettre de comprendre, d’analyser et d’intervenir sur des circuits électriques de base, le préparant ainsi aux technologies plus complexes abordées dans les cycles supérieurs et dans le secteur industriel, notamment celui des hydrocarbures où l’électricité est omniprésente.

2. Compétences visées

À l’issue de cette année, l’élève devra être capable d’identifier les grandeurs électriques fondamentales, de schématiser un circuit simple en utilisant les symboles normalisés et d’appliquer les lois d’Ohm et de Kirchhoff pour en déterminer les caractéristiques. Il maîtrisera l’utilisation des appareils de mesure de base (multimètre) et sera en mesure de réaliser des montages simples en courant continu, tout en respectant scrupuleusement les règles de sécurité.

3. Approche Pédagogique

L’enseignement adopte une démarche inductive, partant de l’observation de phénomènes concrets pour aboutir à la modélisation et aux lois théoriques. Chaque chapitre théorique sera consolidé par des séances de travaux pratiques (« Pratique Électrique ») où l’élève manipulera des composants, effectuera des mesures et vérifiera expérimentalement les lois étudiées. L’analyse de systèmes réels, comme l’installation électrique d’une station-service ou le circuit de démarrage d’un groupe électrogène, servira de contexte aux apprentissages.

4. Sécurité et Bonnes Pratiques au Laboratoire

Une attention rigoureuse est portée à la sécurité électrique. L’élève apprendra à identifier les risques (électrisation, court-circuit), à utiliser les équipements de protection individuelle (EPI) et à adopter les gestes corrects lors des manipulations. La connaissance des procédures d’urgence et la maintenance préventive du matériel de laboratoire constituent des compétences transversales essentielles.

Partie I : Phénomènes Électriques Fondamentaux et Grandeurs de Base ⚡️

Cette partie introductive établit les fondations de la discipline. Elle explore la nature de l’électricité, depuis la structure atomique de la matière jusqu’à la définition des grandeurs quantifiables qui régissent son comportement. La maîtrise de ce vocabulaire et de ces concepts de base est une condition indispensable pour aborder l’analyse des circuits avec rigueur et précision.

Chapitre 1 : Introduction à l’Électricité

Ce chapitre positionne l’électricité comme un pilier de la technologie moderne et un enjeu de développement majeur.

1.1. Nature et Phénomènes du Courant Électrique

L’élève découvrira la nature du courant électrique comme un déplacement ordonné de porteurs de charges. Des exemples concrets tels que la foudre, l’électricité statique et le fonctionnement d’une simple pile illustreront les manifestations variées de ce phénomène physique fondamental.

1.2. Bref Historique de l’Électricité

Une chronologie des découvertes majeures, de Thalès à Ampère, Ohm et Faraday, sera présentée. Cette perspective historique permet de comprendre l’élaboration progressive des concepts et des lois qui structurent la science électrique moderne.

1.3. Production, Transport et Distribution en RDC

Cette section contextualise l’étude en présentant le système électrique national. L’élève étudiera le rôle des centrales hydroélectriques comme celles des barrages d’Inga ou de Zongo, le réseau de transport à haute tension de la SNEL et les défis de la distribution dans les grands centres urbains comme Kinshasa ou Lubumbashi.

1.4. Applications de l’Électricité dans l’Industrie Pétrolière

Un lien direct est établi avec l’option de l’élève en illustrant l’importance cruciale de l’électricité dans le secteur pétrolier : alimentation des pompes d’extraction sur les plateformes de Muanda, systèmes de contrôle des raffineries, protection cathodique des pipelines.

Chapitre 2 : Structure de la Matière et Électrisation

Ce chapitre explore l’origine microscopique des phénomènes électriques.

2.1. L’Atome et les Particules Élémentaires

L’élève révisera la structure de l’atome (noyau, protons, neutrons) et se concentrera sur le rôle des électrons. La notion d’électrons libres sera introduite comme l’élément clé permettant la circulation du courant dans les métaux.

2.2. Conducteurs, Isolants et Semi-conducteurs

Une classification des matériaux selon leur conductivité électrique sera établie. L’élève apprendra à différencier un bon conducteur (cuivre, aluminium) d’un bon isolant (PVC, céramique) et sera initié au concept de semi-conducteur, essentiel pour l’électronique.

2.3. L’Électrisation par Frottement, Contact et Influence

Les mécanismes de l’électrisation seront étudiés à travers des expériences simples. L’élève comprendra comment un corps peut acquérir une charge électrique et comment ces charges interagissent (attraction, répulsion) selon la loi de Coulomb.

2.4. Le Champ et le Potentiel Électriques

Les notions de champ et de potentiel électriques seront introduites pour décrire l’action d’une charge dans l’espace. L’analogie avec le champ de gravitation aidera l’élève à visualiser ces concepts abstraits mais fondamentaux.

Chapitre 3 : Les Grandeurs Électriques Fondamentales

Ce chapitre définit et quantifie les paramètres essentiels qui caractérisent un circuit électrique.

3.1. Le Courant Électrique (Intensité)

L’intensité du courant, mesurée en Ampères (A), sera définie comme le débit des charges électriques. L’élève apprendra à utiliser un ampèremètre, en le branchant correctement en série dans un circuit pour mesurer cette grandeur.

3.2. La Tension Électrique (Différence de Potentiel)

La tension, mesurée en Volts (V), sera présentée comme la « force » qui pousse les électrons. L’élève maîtrisera l’usage du voltmètre, branché en dérivation (parallèle) aux bornes d’un dipôle, pour mesurer la différence de potentiel.

3.3. La Résistance Électrique

La résistance, mesurée en Ohms (Ω), sera définie comme l’opposition d’un matériau au passage du courant. L’élève apprendra à mesurer une résistance à l’ohmmètre et à identifier sa valeur grâce au code des couleurs.

3.4. L’Énergie et la Puissance Électriques

La puissance (en Watts, W) sera définie comme la quantité d’énergie (en Joules, J) consommée ou fournie par seconde. L’élève apprendra à calculer la puissance dans un circuit simple et à comprendre la signification de cette grandeur pour des appareils du quotidien.

Partie II : Le Circuit Électrique en Courant Continu (CC) 🔋

Cette partie centrale du cours se concentre sur l’étude des circuits alimentés par des sources de tension constante, comme les piles ou les batteries. L’élève y apprendra les lois fondamentales qui régissent ces circuits et développera les méthodes d’analyse qui lui permettront de calculer les tensions et les courants en tout point d’un réseau électrique simple.

Chapitre 4 : Le Circuit Électrique Simple

Ce chapitre établit les bases de la représentation et de l’analyse qualitative des circuits.

4.1. Composants d’un Circuit et Fonctions

L’élève identifiera les quatre composants essentiels de tout circuit : le générateur, le récepteur, les conducteurs et l’interrupteur. Il associera une fonction précise à chaque élément (produire, consommer, transporter, commander).

4.2. Schématisation et Symboles Normalisés

La nécessité d’un langage graphique universel sera soulignée. L’élève mémorisera et utilisera les symboles normalisés pour représenter les différents composants (pile, résistance, lampe, interrupteur) afin de dessiner des schémas de circuits clairs et compréhensibles.

4.3. Circuit Ouvert et Circuit Fermé

La distinction fondamentale entre un circuit ouvert (le courant ne passe pas) et un circuit fermé (le courant circule) sera étudiée. Le rôle de l’interrupteur comme élément de commande sera mis en évidence.

4.4. Le Court-circuit : Causes et Dangers

Le concept de court-circuit sera défini comme une connexion directe entre les bornes d’un générateur. L’élève étudiera les conséquences dangereuses (échauffement excessif, risque d’incendie) et l’utilité des dispositifs de protection comme les fusibles et les disjoncteurs.

Chapitre 5 : La Loi d’Ohm et la Puissance Électrique

Ce chapitre introduit la première grande loi quantitative de l’électricité et ses implications énergétiques.

5.1. La Loi d’Ohm pour un Récepteur Résistif

La relation fondamentale U = R × I sera établie expérimentalement. L’élève apprendra à appliquer cette loi pour calculer l’une des trois grandeurs (tension, courant, résistance) lorsque les deux autres sont connues.

5.2. Caractéristique Tension-Courant d’une Résistance

L’élève tracera la caractéristique d’un dipôle ohmique, qui est une droite passant par l’origine. Il apprendra que la pente de cette droite est directement liée à la valeur de la résistance, renforçant sa compréhension de la loi d’Ohm.

5.3. La Puissance et l’Effet Joule

La puissance dissipée par une résistance sous forme de chaleur (effet Joule) sera quantifiée par les formules P = U × I et P = R × I². L’élève calculera cette puissance et comprendra ses applications (chauffage, éclairage) et ses inconvénients (pertes d’énergie).

5.4. Exercices d’Application et Calculs

Des exercices variés permettront de consolider la maîtrise de la loi d’Ohm et des formules de puissance. Les calculs porteront sur des cas concrets, comme le choix d’une résistance de protection pour une diode électroluminescente (LED).

Chapitre 6 : Associations de Résistances

Ce chapitre enseigne comment calculer la résistance équivalente de groupements de résistances.

6.1. Association de Résistances en Série

L’élève apprendra que pour des résistances en série, la résistance équivalente est la somme des résistances individuelles. Il constatera que le courant est le même dans toutes les résistances, tandis que les tensions s’additionnent.

6.2. Association de Résistances en Parallèle (Dérivation)

Pour des résistances en parallèle, l’élève apprendra que l’inverse de la résistance équivalente est la somme des inverses. Il observera que la tension est la même aux bornes de chaque branche, tandis que les courants s’additionnent.

6.3. Groupements Mixtes Série-Parallèle

Des circuits plus complexes combinant des associations en série et en parallèle seront analysés. L’élève développera une méthode systématique pour réduire progressivement le circuit à une seule résistance équivalente.

6.4. Introduction au Pont de Wheatstone

Le pont diviseur de tension sera étudié comme une application directe des associations de résistances. L’élève découvrira le montage du pont de Wheatstone et son utilisation pour la mesure précise de résistances inconnues.

Chapitre 7 : Lois de Kirchhoff et Analyse de Circuits

Ce chapitre fournit des outils d’analyse plus puissants, applicables à tous les circuits linéaires.

7.1. Nœuds, Branches et Mailles d’un Réseau

Le vocabulaire de l’analyse de réseaux sera défini. L’élève apprendra à identifier correctement les nœuds (points de connexion), les branches (chemins entre les nœuds) et les mailles (boucles fermées) d’un circuit.

7.2. La Loi des Nœuds (Première Loi de Kirchhoff)

La loi des nœuds, qui exprime la conservation de la charge, sera énoncée : la somme des courants qui entrent dans un nœud est égale à la somme des courants qui en sortent. L’élève appliquera cette loi pour établir des relations entre les courants dans un circuit.

7.3. La Loi des Mailles (Deuxième Loi de Kirchhoff)

La loi des mailles, qui exprime la conservation de l’énergie, sera présentée : la somme algébrique des tensions le long d’une maille fermée est nulle. L’élève apprendra à orienter une maille et à appliquer cette loi pour analyser les tensions.

7.4. Méthodologie d’Analyse et Résolution de Circuits

Une méthode systématique combinant les lois de Kirchhoff et la loi d’Ohm sera développée pour résoudre des circuits à plusieurs mailles. L’élève s’exercera à poser le système d’équations et à le résoudre pour trouver tous les courants et tensions du circuit.

Partie III : Sources d’Énergie et Composants Passifs 🔌

Cette partie approfondit l’étude des composants du circuit électrique. Elle explore le comportement réel des sources d’énergie et introduit deux composants fondamentaux après la résistance : le condensateur et la bobine. L’analyse de leur comportement en courant continu permet de comprendre les phénomènes de stockage d’énergie et les régimes transitoires.

Chapitre 8 : Générateurs et Récepteurs Électriques

Ce chapitre modélise le comportement des sources et des charges actives dans un circuit.

8.1. Le Générateur de Tension : f.é.m. et Résistance Interne

L’élève apprendra que tout générateur réel (pile, batterie) peut être modélisé par une source de tension idéale (sa force électromotrice, f.é.m.) en série avec une résistance interne, qui est la cause de la chute de tension en charge.

8.2. Caractéristique et Bilan de Puissance d’un Générateur

La caractéristique tension-courant d’un générateur réel sera tracée et analysée. Le bilan de puissance (puissance totale, puissance utile, puissance perdue) permettra à l’élève de calculer le rendement du générateur.

8.3. Le Récepteur Actif : f.c.é.m. et Résistance Interne

Le modèle d’un récepteur actif (moteur, électrolyseur) sera introduit, comprenant une force contre-électromotrice (f.c.é.m.) et une résistance interne. L’élève comprendra que ce type de récepteur convertit l’énergie électrique en une autre forme d’énergie (mécanique, chimique).

8.4. Adaptation d’Impédance et Transfert Maximal de Puissance

La condition pour laquelle un générateur délivre la puissance maximale à une charge sera étudiée. L’élève découvrira que ce transfert optimal se produit lorsque la résistance de la charge est égale à la résistance interne du générateur.

Chapitre 9 : Le Condensateur en Courant Continu

Ce chapitre introduit le premier composant capable de stocker de l’énergie électrique.

9.1. Constitution et Principe du Condensateur

L’élève étudiera la structure d’un condensateur (deux armatures conductrices séparées par un diélectrique). Il comprendra son fonctionnement comme un réservoir de charges électriques, capable d’accumuler de l’énergie dans un champ électrique.

9.2. La Capacité et l’Énergie Emmagasinée

La capacité, mesurée en Farads (F), sera définie comme le rapport entre la charge accumulée et la tension aux bornes. L’élève apprendra également à calculer l’énergie stockée par le condensateur.

9.3. Associations de Condensateurs (Série et Parallèle)

Les formules pour calculer la capacité équivalente de groupements de condensateurs seront établies. L’élève notera que les règles d’association sont inverses de celles des résistances (série comme parallèle, et vice-versa).

9.4. Charge et Décharge d’un Condensateur à travers une Résistance

Le comportement transitoire d’un circuit RC sera analysé qualitativement. L’élève observera que la tension et le courant varient de manière exponentielle et sera initié à la notion de constante de temps (τ = RC), qui caractérise la rapidité du phénomène.

Chapitre 10 : L’Inductance en Courant Continu

Ce chapitre présente le second composant capable de stocker de l’énergie, la bobine d’induction.

10.1. Constitution et Principe de la Bobine (Inductance)

La bobine sera présentée comme un enroulement de fil conducteur. L’élève apprendra qu’elle s’oppose à toute variation du courant qui la traverse en créant une tension auto-induite, un phénomène lié au champ magnétique.

10.2. L’Inductance et l’Énergie Emmagasinée

L’inductance, mesurée en Henrys (H), sera définie comme le coefficient de proportionnalité entre la tension induite et la variation du courant. L’élève calculera l’énergie stockée par la bobine, qui est de nature magnétique.

10.3. Rôle de la Bobine en Courant Continu

L’élève comprendra qu’en régime continu établi, une bobine idéale se comporte comme un simple fil conducteur (court-circuit). Son effet n’est sensible que lors des variations de courant (établissement ou rupture).

10.4. Établissement du Courant dans un Circuit RL

Le comportement transitoire d’un circuit RL série sera analysé. Similairement au circuit RC, l’élève observera l’évolution exponentielle du courant et définira la constante de temps (τ = L/R), qui caractérise la durée du régime transitoire.

Partie IV : Magnétisme et Introduction au Courant Alternatif (CA) 💡

Cette dernière partie ouvre de nouvelles perspectives en explorant les liens profonds entre électricité et magnétisme, qui sont à la base de la production de l’électricité industrielle. Elle conclut l’année par une introduction aux grandeurs alternatives, préparant l’élève à l’étude des machines électriques et des réseaux de distribution qui constituent le cœur de l’électricité de puissance.

Chapitre 11 : Magnétisme et Électromagnétisme

Ce chapitre explore l’origine du magnétisme et son interaction fondamentale avec le courant électrique.

11.1. Les Aimants et le Champ Magnétique

Les propriétés des aimants permanents (pôles nord/sud, attraction/répulsion) seront étudiées. La notion de champ magnétique, visualisé par des lignes de champ, sera introduite pour décrire l’action d’un aimant dans l’espace.

11.2. Champ Magnétique créé par un Courant Électrique

L’expérience d’Oersted démontrera qu’un courant électrique génère un champ magnétique. L’élève apprendra les règles (bonhomme d’Ampère, tire-bouchon) pour déterminer l’orientation du champ créé par un conducteur rectiligne ou une bobine (solénoïde).

11.3. Les Forces Électromagnétiques (Force de Laplace)

L’action d’un champ magnétique sur un conducteur parcouru par un courant sera étudiée. L’élève appliquera la règle des trois doigts de la main droite pour déterminer la direction et le sens de la force de Laplace, principe de fonctionnement de tous les moteurs électriques.

11.4. L’Induction Électromagnétique (Loi de Faraday)

Le phénomène inverse sera exploré : la création d’une tension (et d’un courant) par la variation d’un champ magnétique à travers un circuit. L’élève comprendra que ce principe d’induction est à la base de la production de la quasi-totalité de notre électricité dans les alternateurs.

Chapitre 12 : Introduction au Courant Alternatif Monophasé

Ce chapitre initie l’élève au type de courant utilisé pour la distribution domestique et industrielle.

12.1. Production et Caractéristiques d’une Tension Sinusoïdale

L’élève apprendra comment la rotation d’une spire dans un champ magnétique (principe de l’alternateur) génère une tension de forme sinusoïdale. Les caractéristiques de ce signal (période, fréquence, amplitude, pulsation) seront définies.

12.2. Valeurs Efficace, Maximale et Moyenne

La nécessité de définir une « valeur efficace » pour comparer les effets d’un courant alternatif à ceux d’un courant continu sera expliquée. L’élève apprendra la relation entre la valeur maximale et la valeur efficace (Ueff = Umax / √2) pour un signal sinusoïdal.

12.3. Représentation Vectorielle de Fresnel

Une méthode de représentation graphique des grandeurs sinusoïdales, le diagramme de Fresnel, sera introduite. L’élève apprendra à associer un vecteur tournant à une sinusoïde, un outil puissant pour analyser le déphasage.

12.4. Déphasage entre Courant et Tension

La notion de déphasage entre la tension et le courant sera introduite. L’élève visualisera ce qu’est un courant « en avance » ou « en retard » sur la tension, un concept fondamental pour l’étude des circuits en régime alternatif qui sera développée dans les classes supérieures.

Annexes

Cette section finale offre des outils de référence pratiques pour accompagner l’élève dans son apprentissage.

1. Glossaire des Termes Techniques

Une définition claire et concise des termes techniques essentiels (ex: dipôle, f.é.m., inductance, sinusoïde) est fournie pour assurer une compréhension précise du vocabulaire scientifique.

2. Tableau des Symboles Normalisés

Un récapitulatif visuel de tous les symboles graphiques des composants électriques étudiés durant l’année, conformes aux normes internationales, pour faciliter la lecture et la création de schémas.

3. Code des Couleurs des Résistances

Le tableau complet du code des couleurs et sa méthode de lecture sont présentés pour permettre à l’élève de déterminer rapidement la valeur nominale et la tolérance de n’importe quelle résistance.

4. Exemples de Projets de Laboratoire

Des fiches descriptives de montages pratiques de fin d’année (ex: réalisation d’un petit électroaimant, montage d’un circuit d’éclairage simple, vérification de la charge d’un condensateur) sont proposées pour synthétiser les compétences acquises.