ÉLECTRICITÉ GÉNÉRALE – 1ÈRE ANNÉE – OPTION MÉCANIQUE GÉNÉRALE

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

Préliminaires

1. Objectifs Généraux du Cours

Ce cours a pour finalité de doter les élèves des connaissances fondamentales relatives aux phénomènes électriques en courant continu et aux principes de l’électromagnétisme. L’objectif est de leur permettre de comprendre le fonctionnement des appareils et des machines électriques courants, de réaliser des circuits simples et d’interpréter les grandeurs électriques de base. L’enseignement se concentre sur les applications pratiques et les lois essentielles, préparant ainsi le futur technicien en mécanique à intervenir de manière sécuritaire et efficace sur les composantes électriques des systèmes qu’il rencontrera.

2. Compétences Visées

Au terme de cette année de formation, l’élève doit être en mesure de :

• Décrire la structure de la matière et la nature du courant électrique continu.
• Définir et utiliser correctement les grandeurs électriques fondamentales : tension, intensité, résistance, puissance et énergie.
• Appliquer la loi d’Ohm pour analyser et calculer les paramètres d’un circuit simple.
• Calculer la résistance d’un conducteur en fonction de ses dimensions et de sa résistivité.
• Analyser les groupements de résistances en série et en parallèle.
• Distinguer un générateur d’un récepteur et comprendre les notions de force électromotrice et de force contre-électromotrice.
• Identifier les principes du magnétisme et de l’électromagnétisme.
• Expliquer le phénomène d’induction électromagnétique et la loi de Lenz.
• Utiliser les appareils de mesure de base (ampèremètre, voltmètre, ohmmètre) en respectant les règles de branchement et de sécurité.

3. Approche Pédagogique

La démarche pédagogique est essentiellement expérimentale et inductive. Chaque nouvelle notion est introduite par l’observation de phénomènes concrets ou par la réalisation d’expériences en classe. Les lois fondamentales, telles que la loi d’Ohm ou la loi de Joule, sont découvertes à partir de mesures et de manipulations directes, donnant ainsi un sens physique aux formules mathématiques. L’apprentissage est contextualisé par des exemples tirés de la réalité industrielle et quotidienne en RDC : la gestion de l’énergie des batteries pour les systèmes d’éclairage dans les zones rurales du Kasaï, le câblage des moteurs des machines des usines de textile de Kinshasa, ou encore les circuits de commande des équipements de levage utilisés dans le port de Matadi.

4. Matériel Didactique Requis

La bonne assimilation des contenus de ce cours requiert l’utilisation d’un matériel didactique approprié, notamment :

• Des sources d’alimentation en courant continu stabilisées et réglables.
• Des multimètres (numériques ou analogiques) pour la mesure des tensions, intensités et résistances.
• Des composants de base : résistances de diverses valeurs, interrupteurs, fils de connexion, douilles et ampoules.
• Des piles et des accumulateurs pour l’étude des sources d’énergie autonomes.
• Des aimants droits, des boussoles, des bobines et des noyaux de fer doux pour les expériences d’électromagnétisme.
• Un équipement de démonstration pour l’électrolyse.
• Du matériel de sécurité : lunettes de protection et sectionneurs de circuit.

PARTIE I : FONDEMENTS DU COURANT ÉLECTRIQUE CONTINU

Cette première partie établit les concepts fondamentaux de l’électricité. Elle explore la nature intime de la matière pour expliquer l’origine du courant électrique et définit avec précision les grandeurs physiques essentielles qui le caractérisent. L’objectif est de construire une base théorique solide et indispensable avant d’aborder l’étude des circuits.

Chapitre 1 : Nature de l’Électricité et Grandeurs Fondamentales ⚛️

Ce chapitre initial plonge au cœur de la matière pour révéler la nature du courant électrique. Partant de la structure de l’atome et du rôle des électrons libres, il explique le phénomène de conduction électrique dans les métaux. Il introduit ensuite les trois grandeurs fondamentales interdépendantes : la différence de potentiel ou tension (U), mesurée en Volts (V), qui est la cause du mouvement des charges ; l’intensité du courant (I), mesurée en Ampères (A), qui quantifie le débit de ces charges ; et la résistance (R), mesurée en Ohms (Ω), qui caractérise l’opposition du circuit à ce passage.

Chapitre 2 : La Loi d’Ohm et la Résistivité des Conducteurs 📏

Ce chapitre central présente la loi d’Ohm comme la relation mathématique qui lie les trois grandeurs fondamentales dans un circuit résistif (U = R × I). L’élève apprend à l’utiliser pour calculer l’une des grandeurs lorsque les deux autres sont connues. L’étude est approfondie par la notion de résistivité, qui permet de calculer la résistance d’un conducteur en fonction de sa nature (cuivre, aluminium), de sa longueur et de sa section. Des applications concrètes, comme le calcul de la chute de tension dans les longs câbles d’alimentation des chantiers miniers du Haut-Katanga, illustrent l’importance de ces notions.

Chapitre 3 : Puissance et Énergie Électrique : l’Effet Joule 🔥

Ce chapitre aborde les aspects énergétiques du courant électrique. Il définit la puissance électrique (P = U × I), mesurée en Watts (W), comme la capacité du courant à fournir un travail ou de la chaleur. La notion d’énergie électrique (E = P × t), mesurée en Joules (J) ou en Wattheures (Wh), est présentée comme la puissance consommée pendant une certaine durée. L’effet Joule, qui décrit la transformation de l’énergie électrique en chaleur dans une résistance (P = R × I²), est étudié en détail, avec des applications allant du simple fusible de protection au fonctionnement des fours électriques industriels.

PARTIE II : CIRCUITS ET COMPOSANTS EN COURANT CONTINU

S’appuyant sur les lois fondamentales, cette deuxième partie se consacre à l’étude des circuits électriques. L’élève apprend à analyser des montages plus complexes, à comprendre le rôle des différents composants (sources, récepteurs) et à maîtriser les règles d’association des éléments, compétences essentielles pour tout dépannage ou conception de circuit simple.

Chapitre 4 : Le Circuit Électrique et ses Composants 🔄

Ce chapitre définit formellement ce qu’est un circuit électrique : une boucle fermée permettant la circulation du courant. Il présente les différents éléments qui le constituent : le générateur qui fournit l’énergie, le récepteur qui la transforme (moteur, lampe), les conducteurs qui assurent la liaison et les appareils de commande (interrupteurs) et de protection (fusibles). L’élève apprend à représenter ces éléments par leurs symboles normalisés et à dessiner des schémas de circuits simples.

Chapitre 5 : Les Sources de Tension : Générateurs, Piles et Accumulateurs 🔋

Ce chapitre se concentre sur les générateurs de courant continu. Il introduit la notion de force électromotrice (f.é.m.), qui représente la tension maximale que peut fournir une source, et de résistance interne, qui cause une chute de tension lorsque le générateur débite du courant. L’étude porte sur les sources chimiques, comme les piles et les accumulateurs au plomb, en expliquant leurs principes de fonctionnement, leurs caractéristiques et leurs applications pratiques, notamment dans le secteur des télécommunications ou pour le démarrage des véhicules à Mbuji-Mayi.

Chapitre 6 : Association des Résistances en Série et en Parallèle 🔗

Les composants d’un circuit peuvent être connectés de différentes manières. Ce chapitre étudie les deux configurations de base pour les résistances. L’élève apprend à calculer la résistance équivalente pour une association en série (addition des résistances) et pour une association en parallèle. Des applications pratiques sont étudiées, comme le principe du diviseur de tension pour le montage en série et l’utilisation du shunt pour étendre la capacité de mesure d’un ampèremètre pour le montage en parallèle.

PARTIE III : ÉLECTROMAGNÉTISME ET INDUCTION

Cette troisième partie explore l’interaction fondamentale entre l’électricité et le magnétisme, un principe à la base de la quasi-totalité des machines électriques. L’élève découvre comment un courant peut créer un champ magnétique et, inversement, comment un champ magnétique peut générer un courant, ouvrant la voie à la compréhension des moteurs, des générateurs et des transformateurs.

Chapitre 7 : Le Magnétisme : Aimants et Champs Magnétiques 🧲

Ce chapitre pose les bases du magnétisme en étudiant les propriétés des aimants permanents : pôles nord et sud, attraction et répulsion. La notion de champ magnétique est introduite comme la zone d’influence d’un aimant, visualisée par des lignes de champ. L’élève apprend à cartographier un champ magnétique à l’aide d’une boussole et comprend l’orientation du champ magnétique terrestre, qui a des applications historiques dans la navigation sur le fleuve Congo.

Chapitre 8 : L’Électromagnétisme : Le Champ Magnétique Créé par le Courant ⚡

Ce chapitre révèle la découverte fondamentale d’Oersted : tout courant électrique génère un champ magnétique. L’étude porte sur le champ créé par un conducteur rectiligne et par une bobine (solénoïde), en introduisant la notion de force magnétomotrice (ampère-tours). Le principe de l’électroaimant est exploré, avec ses applications dans les relais, les contacteurs et les dispositifs de levage électromagnétique utilisés dans les industries de récupération de métaux.

Chapitre 9 : L’Induction Électromagnétique et la Force Électromotrice Induite 💡

Ce chapitre traite du phénomène inverse de l’électromagnétisme : la création d’un courant par un champ magnétique variable, découvert par Faraday. La notion de flux magnétique est définie, et la loi de Lenz est introduite pour déterminer le sens du courant induit. Le phénomène de self-induction, où une bobine s’oppose à la variation du courant qui la traverse, est également expliqué. Ces principes sont présentés comme la base du fonctionnement de toutes les machines électriques tournantes, des alternateurs des centrales hydroélectriques d’Inga aux dynamos de bicyclette.

PARTIE IV : APPLICATIONS ET MESURES ÉLECTRIQUES

Cette dernière partie se veut résolument pratique. Elle vise à appliquer les connaissances acquises à des phénomènes concrets et à l’utilisation correcte de l’instrumentation de mesure. Elle conclut le cours en insistant sur les règles de sécurité, une compétence non négociable pour tout intervenant en électricité.

Chapitre 10 : Applications Pratiques du Courant Électrique 🔬

Ce chapitre explore certaines applications spécifiques du courant continu. L’effet chimique du courant est étudié à travers le phénomène de l’électrolyse, en expliquant de manière qualitative son principe et ses applications industrielles, comme le raffinage du cuivre dans les usines de la région de Lubumbashi ou la protection des métaux par électrozingage.

Chapitre 11 : Principes des Appareils de Mesure Électrique 📟

Mesurer, c’est savoir. Ce chapitre explique le principe de fonctionnement des principaux appareils de mesure analogiques basés sur les forces électromagnétiques (appareils ferromagnétiques et magnétoélectriques). Surtout, il enseigne les règles pratiques de leur utilisation : le branchement d’un ampèremètre en série, celui d’un voltmètre en parallèle, le choix du calibre approprié et la lecture correcte de l’échelle de mesure pour éviter toute erreur ou détérioration du matériel.

Chapitre 12 : Sécurité Électrique et Normes d’Installation de Base ⚠️

Toute intervention sur un circuit électrique comporte des risques. Ce chapitre de conclusion est dédié à la sécurité des personnes et des biens. Il sensibilise aux dangers du courant électrique (électrisation, électrocution, incendie) et présente les règles de base de la protection : isolation des conducteurs, mise à la terre, utilisation de fusibles et de disjoncteurs. L’importance de respecter les normes d’installation, même pour des circuits simples, est soulignée comme un impératif professionnel absolu.

Annexes

Cette section finale rassemble des documents de référence pratiques destinés à accompagner l’élève tout au long de son apprentissage et de ses travaux pratiques. Elle contient un tableau des symboles électriques normalisés pour la schématisation des circuits, une liste de la résistivité des matériaux conducteurs les plus courants, un guide de lecture du code des couleurs pour les résistances, ainsi qu’un memento des principales formules étudiées durant l’année. Un rappel concis des règles de sécurité fondamentales y figure également. Ces annexes sont conçues pour être un outil de consultation rapide, favorisant l’autonomie et la consolidation des connaissances.