Courant électrique - Applications

E2 Courant électrique - Applications

EFFET JOULE

Le passage du courant dans les conducteurs provoquant un dégagement de chaleur (effet Joule) il est facile d'obtenir des appareils de chauffage. Le dégagement de chaleur est proportionnel à la résistance du conducteur. On utilise donc dans ces appareils des fils beaucoup plus résistants que les fils de liaison pour que le dégagement de chaleur soit localisé dans l'appareil (fer à repasser, radiateur) et soit négligeable dans les fils de liaison pourtant traversés par le même courant.

L'alliage couramment utilisé pour les "résistances chauffantes" est le Nichrome constitué de nickel et de chrome avec un peu de fer et de manganèse. Il est environ 60 fois plus résistif que le cuivre.

Les fils résistants peuvent être nus (par exemple dans les convecteurs) ou introduits dans des tubes de cuivre et isolés par de la poudre de magnésie. Le fil est souvent en forme d'hélice pour obtenir une longueur plus grande sous un faible encombrement.

L'éclairage électrique à incandescence

En 1879 Thomas Edison (1847-1931) invente la lampe électrique. Elle est constituée d'un filament en fibre de bambou carbonisé entouré d'une ampoule de verre vidée d'air pour éviter la combustion. La température du filament ne dépasse pas 1700°C. L'éclairage est jaune et faible.

En 1906 apparaît le filament en tungstène qui permet d'atteindre 2500°C. Pour éviter la sublimation du métal (évaporation) on introduit en 1913 de l'azote dans l'ampoule. Puis on le remplacera par l'argon et en 1935 par le krypton.

La lampe à halogène permet d'améliorer le rendement et d'obtenir une lumière blanche et intense. La température du filament peut atteindre 3000°C ( La température de fusion du tungstène est 3410°C).
L'ampoule contient un halogène (de l'iode par exemple) qui se combine avec la vapeur de tungstène et empêche son dépôt sur l'ampoule qui n'est plus en verre, mais en quartz. [Ne jamais toucher l'ampoule de quartz avec les doigts]

EFFET MAGNETIQUE

L'électro-aimant

Lorsque le courant passe dans un fil, une boussole placée à proximité dévie. Le fil provoque un effet semblable à celui d'un aimant: l'effet magnétique. Pour augmenter cet effet, on peut augmenter l'intensité du courant, mais on peut également placer côte à côte plusieurs fils parcouru dans le même sens par le courant. Cela revient à constituer une bobine.
Une bobine longue est appelée solénoïde. Elle se comporte comme un barreau aimanté lorsque le courant passe. Si on place à l'intérieur un noyau en fer doux (fer pur) l'effet est renforcé. On obtient un électro-aimant.

Remarque: L'acier ne convient pas pour faire un noyau d'électro-aimant car il reste aimanté après que le courant a cessé.

Ces électro-aimants sont utilisés dans les sonneries, les gâches électriques, le tri magnétique des matériaux... en un mot chaque fois que l'on désire transformer l'énergie électrique en énergie mécanique.

Les moteurs électriques

Il existe un grand nombre de sortes de moteurs électriques. Ils contiennent tous soit des aimants soit des électro-aimants.

Le point de départ du développement des moteurs est la découverte de Zénobe Gramme (1826-1901).
Le principe d'un moteur est simple: on fait passer un courant dans un électro-aimant capable de tourner (rotor). Il est attiré par un aimant (ou un autre électro-aimant), il pivote, il s'approche du pôle attractif et reste figé à moins qu'à cet instant précis le courant s'inverse dans la bobine. Le rotor peut alors poursuivre sa rotation vers une nouvelle attraction et le phénomène peut se reproduire.
Gramme découvre en 1873 qu'il peut utiliser en guise de moteur la dynamo qu'il a inventé 2 années auparavant . Pour inverser le courant il fixe sur l'axe du moteur des conducteurs hémicylindriques (constituant le collecteur) sur lesquels viennent frotter deux balais reliés au générateur.

EFFET CHIMIQUE

L'électrolyse

Si le courant circule dans une solution, ce n'est pas grâce à la présence d'électrons libres (ils n'existent que dans les métaux). Le courant est dû au mouvement de particules chargées appelées "ions". Il s'agit d'atomes ou de groupements d'atomes chargés soit à cause d'un excès d'électrons (ions négatifs ou anions) soit par un manque d'électrons (ions positifs ou cations).
Au contact des électrodes, les ions se déchargent:

A l'anode (électrode d'entrée): les ions négatifs (anions) cèdent leur électrons excédentaires qui passent ensuite dans le circuit.
Parfois l'anode est rongée: ce sont les atomes de l'anode qui cèdent des électrons au circuit. On peut aussi avoir un dégagement d'oxygène ou une oxydation de l'anode.

A la cathode (électrode de sortie): les ions positifs (cations) prennent au circuit les électrons qui leur manquent. On observe la formation d'un dépôt (métal); ou alors l'eau se décompose et on obtient un dégagement d'hydrogène.

L'électrophorèse

Pour déposer sur une carroserie d'automobile une couche de peinture anti-corrosion on peut utiliser l'électrophorèse:
La carrosserie est plongée dans un bac de peinture. Elle est reliée, ainsi qu'une électrode à un générateur (400V par exemple). Si la carroserie constitue la cathode (reliée à la borne négative) il s'agit d'une cataphorèse. Les ions positifs contenus dans la peinture sont attirés. Ils viennent se fixer sur la carrosserie en se déchargeant.

La galvanoplastie

Pour déposer une couche d'argent sur les couverts, une couche de chrome sur les pare-chocs on utilise l'électrolyse.
L'objet à recouvrir est plongé en guise de cathode dans une solution d'un sel du métal qui doit constituer le dépôt. On utilise une anode dans ce même métal.
Pour nickeler ou pour chromer un objet en fer, on le recouvre préalablement d'une couche de cuivre car le chrome ou le nickel n'adhère pas bien au fer.