L’Électronique

2e édition

Cathleen Shamieh

L’Électronique pour les Nuls (2e édition)

Titre de l’édition originale : Electronic For Dummies 3e édition

Pour les Nuls est une marque déposée de Wiley Publishing, Inc.

For Dummies est une marque déposée de Wiley Publishing, Inc.

Collection dirigée par Jean-Pierre Cano

Traduction : Marc Rozenbaum

Mise en page : maged

Edition française publiée en accord avec Wiley Publishing, Inc.

© Éditions First, un département d’Édi8, 2017

Éditions First, un département d’Édi8

12 avenue d’Italie

75013 Paris

Tél. : 01 44 16 09 00

Fax : 01 44 16 09 01

E-mail : firstinfo@efirst.com

Web : www.editionsfirst.fr

ISBN : 978-2-412-02373-0

ISBN numérique : 9782412026441

Dépôt légal : 1er trimestre 2017

Cette œuvre est protégée par le droit d’auteur et strictement réservée à l’usage privé du client. Toute reproduction ou diffusion au profit de tiers, à titre gratuit ou onéreux, de tout ou partie de cette œuvre est strictement interdite et constitue une contrefaçon prévue par les articles L 335-2 et suivants du Code de la propriété intellectuelle. L’éditeur se réserve le droit de poursuivre toute atteinte à ses droits de propriété intellectuelle devant les juridictions civiles ou pénales.

Ce livre numérique a été converti initialement au format EPUB par Isako www.isako.com à partir de l'édition papier du même ouvrage.

Introduction

Seriez-vous curieux de savoir comment est conçu votre smartphone ? À moins que vous vous interrogiez sur le fonctionnement de votre tablette électronique, de votre chaîne stéréo, de votre GPS ou de votre téléviseur à haute définition, bref, de tous ces appareils électroniques qui égayent votre quotidien ?

Ou bien, il vous est peut-être arrivé de vous demander comment fonctionnent les résistances, les diodes, les transistors, les condensateurs et autres éléments des circuits électroniques ? N’avez-vous jamais eu envie d’assembler vos propres appareils électroniques ? Dans ce cas, vous ne pouviez pas mieux tomber !

L’électronique pour les Nuls est votre ticket d’entrée dans l’univers électrisant de l’électronique moderne. Rempli d’illustrations et d’explications claires, le livre que vous tenez entre vos mains vous permettra de comprendre, de créer et de réparer vos propres appareils électroniques.

À propos de ce livre

Bien trop souvent, l’électronique semble être un domaine mystérieux, car c’est une discipline qui consiste à contrôler quelque chose d’invisible – le courant électrique – dont on vous a souvent répété que vous deviez absolument vous tenir à distance. Il n’en faut pas plus pour effrayer la plupart des gens. Pourtant, à force de profiter tous les jours des progrès de l’électronique, vous avez peut-être commencé à vous demander comment il était possible d’obtenir tant de résultats incroyables avec des engins aussi petits.

Ce livre va vous permettre de satisfaire votre curiosité en matière d’électronique de la manière la plus agréable qui soit. Il vous explique ce qu’est exactement l’électronique, il détaille le fonctionnement des principaux composants électroniques (avec de nombreuses illustrations) et vous apporte la connaissance nécessaire pour pouvoir assembler et tester des circuits électroniques et créer des applications pratiques. Si ce livre n’a pas la prétention d’apporter des réponses à toutes vos questions sur l’électronique, il vous donne cependant des bases solides à partir desquelles vous pourrez explorer plus en profondeur l’univers des circuits.

Vous aurez sans doute envie de vous plonger plus précisément dans tel ou tel chapitre, de vous concentrer sur un sujet qui présente pour vous un intérêt particulier, et peut-être, de parcourir plus rapidement d’autres sujets. Les nombreuses références dont ce livre est truffé vous permettront de trouver les informations avec lesquelles vous pourrez compléter vos connaissances ou vous rafraîchir la mémoire dans tel ou tel domaine.

Le sommaire, au début de ce livre, est très pratique pour trouver rapidement ce que vous cherchez. Vous trouverez aussi le glossaire utile, lorsque vous aurez besoin d’une définition. Enfin, l’éditeur s’est donné la peine de constituer un index complet à la fin de l’ouvrage, afin que vous puissiez plus facilement trouver les passages que vous voulez lire en particulier.

J’espère qu’après avoir lu ce livre, vous vous rendrez compte que l’électronique n’est pas aussi compliquée que ce que vous pensiez. Mon intention est de vous transmettre la connaissance et l’assurance dont vous avez besoin pour pouvoir vous lancer tête baissée dans le monde passionnant de l’électronique.

Ce livre et vous

En rédigeant ce livre, je me suis souciée du niveau de connaissances et des centres d’intérêt qui pouvaient être ceux des lecteurs qui, comme vous, cherchent à en savoir davantage dans le domaine de l’électronique. Je me suis basée sur les hypothèses suivantes :

» Vous ne connaissez pas grand-chose (voire même, rien du tout) à l’électronique.

» Vous n’êtes pas nécessairement un crack en physique et en mathématiques, mais vous avez au moins quelques notions d’algèbre acquises au lycée.

» Vous désirez mieux comprendre comment fonctionnent réellement les résistances, les condensateurs, les diodes, les transistors et autres composants électroniques.

» Vous avez la curiosité de voir par vous-même, grâce à des circuits simples et faciles à assembler, quel rôle joue chaque composant.

» Vous trouvez intéressant de fabriquer des circuits qui produisent un vrai résultat utile, et de comprendre ce qui se passe.

» Vous avez un esprit pionnier, c’est-à-dire le goût de l’expérimentation et la disposition à accepter des échecs de temps à autre, et à chercher comment résoudre les problèmes qui peuvent se poser – tout en veillant à votre sécurité.

Ce livre commence par le tout début. Il vous explique ce qu’est le courant électrique et pourquoi des circuits sont nécessaires à sa circulation. Vous trouverez ensuite des descriptions, faciles à comprendre, du fonctionnement de chaque composant électronique, avec de nombreuses illustrations à l’appui (photos et graphiques). Parmi les onze premiers chapitres qui constituent les deux premières parties de ce livre, neuf chapitres vous proposent des miniprojets que vous pourrez réaliser en un quart d’heure environ. Chacun de ces projets est conçu pour illustrer le fonctionnement d’un composant particulier.

Plus loin dans cet ouvrage, je vous propose plusieurs projets attrayants que vous pourrez réaliser en moins d’une heure, avec des explications détaillées sur le fonctionnement des circuits. Ces projets vous permettront de vous rendre compte par vous-même de la manière dont divers composants fonctionnent ensemble pour concourir à un résultat remarquable, et souvent utile.

Au cours de votre voyage au pays de l’électronique, attendez-vous à faire, de temps en temps, quelques erreurs. Les erreurs ne sont pas un problème, elles vous permettront de mieux comprendre les choses et elles vous feront aimer l’électronique encore davantage. N’oubliez pas que tout progrès suppose quelques efforts.

Icônes utilisées dans ce livre

Cette icône signale une information pouvant vous éviter de perdre du temps, d’attraper des maux de tête ou de gaspiller votre argent (ou les trois à la fois !). Si vous faites attention à ces conseils, votre découverte de l’électronique vous sera bien plus profitable.

Une précision, une idée ou un fait qu’il est important de ne pas oublier, quand vous vous aventurez dans le monde fascinant de l’électronique.

Bien qu’il soit question de technique d’un bout à l’autre de ce livre, cette icône est utile pour attirer votre attention sur une notion technique plus approfondie, ou plus difficile à assimiler, mais qui n’est pas indispensable à la compréhension de ce qui suit. Vous pouvez toujours passer outre si vous le souhaitez.

Quand on bricole des circuits électroniques, on se retrouve tôt ou tard dans des situations qui nécessitent que l’on prenne les plus grandes précautions. Cette icône est à prendre très au sérieux, elle vous rappelle les précautions particulières que vous devez prendre pour ne pas risquer de vous blesser, d’abîmer vos outils, vos composants ou vos circuits – ou votre livre.

Pour aller plus loin

J’en ai écrit beaucoup plus que ce que vous trouverez dans ce livre. Surfez sur Internet pour trouver ce qui suit :

» Des antisèches (www.dummies.com/cheatsheet/electronics), dans lesquelles vous trouverez des formules importantes et d’autres informations auxquelles vous pourrez vous référer rapidement et facilement quand vous travaillerez sur un circuit.

» Des articles en ligne sur d’autres sujets (www.dummies.com/extras/electronics), pour découvrir le principe du semi-conducteur, pour comprendre ce qu’est un oscilloscope et comment on l’utilise, ou pour obtenir d’autres informations qui vous permettront de progresser dans vos connaissances et votre maîtrise de l’électronique.

» Des mises à jour ((www.dummies.com/extras/electronics), des nouveautés ou des corrections apportées à ce livre (c’est mon éditeur qui m’a demandé de mentionner les corrections, mais comme je ne fias psa d’erruers, il n’y en aura pas).

Ce que vous trouverez dans ce livre

Ce livre peut être utilisé de différentes manières. En commençant par le début (ce ne serait pas une mauvaise idée), vous découvrirez les bases de l’électronique, vous ferez connaissance avec les composants à raison d’un à la fois, puis vous les rassemblerez en réalisant des projets dans votre petit laboratoire d’électronique bien équipé.

Ou bien, si vous avez toujours voulu savoir comment fonctionne un transistor, par exemple, vous pourrez vous attaquer directement au Chapitre 10. Vous apprendrez à connaître ces intéressants petits composants à trois pattes, puis vous assemblerez un ou deux circuits transistorisés. Un chapitre est consacré à chaque type de composant : résistance, condensateur, inducteur, diode, transistor et circuit intégré. Ainsi, vous pourrez concentrer votre énergie sur un chapitre en vue de maîtriser le composant de votre choix.

Ce livre est aussi une référence utile, si vous voulez par exemple vous rafraîchir la mémoire quand vous concevrez vos propres montages, à propos d’un composant particulier ou d’une règle régissant le fonctionnement des circuits.

Pour commencer votre lecture dans les meilleures conditions, voici ce que je peux vous recommander :

» Chapitre 1 : Commencez par là pour une introduction aux trois concepts essentiels que sont l’intensité, la tension et la puissance.

» Chapitre 3 : Commencez par ce chapitre si vous brûlez d’impatience à l’idée d’assembler votre premier circuit, de mesurer la tension et l’intensité à l’aide de votre multimètre et de vous livrer à des calculs de puissance.

» Chapitre 13 : Si vous savez déjà que l’électronique sera pour vous une passion irrésistible, commencez par étudier la façon dont vous allez installer votre petit laboratoire. Vous consulterez ensuite les chapitres qui précèdent pour comprendre comment fonctionnent tous ces trucs que vous venez de vous procurer.

Profitez bien de cette aventure dans laquelle vous allez vous lancer. Foncez, et faites de belles découvertes !

ILes bases de l’électronique

DANS CETTE PARTIE…

Découvrir ce qui rend l’électronique aussi captivante

Se procurer des composants et des outils pour fabriquer des circuits

Expérimenter les branchements en série et en parallèle

Chapitre 1 Une introduction à l’électronique

DANS CE CHAPITRE :

» Ce qu’est vraiment le courant électrique

» Le pouvoir des électrons

» Les conducteurs et la circulation (des électrons)

» Faire monter la tension pour que les électrons filent

» Effectuer les bons branchements dans un circuit

» Contrôler le comportement des électrons à l’aide de composants

» Utiliser l’énergie électrique pour diverses applications

Vous avez probablement une idée de ce qu’est l’électronique. Vous avez l’habitude d’utiliser des téléphones mobiles intelligents, des tablettes électroniques, des baladeurs numériques, des chaînes stéréo, des ordinateurs individuels, des caméscopes, des téléviseurs et autres produits de ce que l’on appelle « l’électronique grand public », mais ce ne sont peut-être pour vous que des boîtes magiques avec des boutons, qui vous obéissent au doigt et à l’œil, mais dont le contenu reste mystérieux.

Vous savez que chacune de ces façades bien lisses et harmonieuses cache un incroyable et savant assemblage de minuscules composants, conçu pour produire des résultats bien précis. Aujourd’hui, vous avez envie de comprendre un peu comment tout cela peut fonctionner.

Dans ce chapitre, vous allez découvrir que le courant électrique est le résultat d’une circulation harmonieuse des électrons et que le contrôle de ce courant est la base même de l’électronique. Vous allez apprendre ce qu’est réellement le courant électrique et ce qu’il faut pour que le courant passe. Ce chapitre vous donnera aussi un aperçu de ce que vous pouvez faire avec l’électronique.

L’électronique, qu’est-ce que c’est, exactement ?

Quand vous allumez la lumière, chez vous, vous établissez une liaison entre une source d’énergie électrique (une terminaison du réseau de la compagnie d’électricité qui dessert l’endroit où vous habitez) et l’ampoule d’une lampe. Cette liaison se matérialise par un chemin ininterrompu, ce que l’on appelle un circuit électrique. En ajoutant à ce circuit un variateur d’intensité ou un programmateur, vous pouvez contrôler le fonctionnement de l’ampoule d’une façon plus intéressante qu’en actionnant simplement l’interrupteur pour l’allumer ou pour l’éteindre.

Les systèmes électriques comme ce genre de circuit installé dans votre maison, pour alimenter des lampes par exemple, utilisent un courant électrique pur, inaltéré. Avec les circuits électroniques, les choses sont un peu plus compliquées : les circuits électroniques contrôlent le courant, créent ou modifient les fluctuations de ce courant, en changent le sens ou le rythme de différentes manières pour remplir diverses fonctions. Il peut s’agir aussi bien de réduire la luminosité d’une ampoule (voir Figure 1-1), que de faire clignoter une lampe colorée au son d’une musique rythmée ou de communiquer avec des satellites, et les autres possibilités sont très nombreuses. Ce contrôle est ce qui différencie les systèmes électroniques des systèmes électriques.

Le mot électronique désigne à la fois le champ d’étude consacré au contrôle de l’énergie électrique et les systèmes matériels (circuits, composants et interconnexions) qui assurent ce contrôle de l’énergie électrique.

FIGURE 1-1 Le variateur d’intensité incorporé au circuit contrôle le flux de courant électrique traversant l’ampoule.

Pour comprendre cette notion de contrôle du courant électrique, il faut d’abord que vous ayez une vision claire de ce qu’est le courant électrique et de la façon dont il alimente les ampoules, les haut-parleurs, les moteurs et autres appareils.

L’ÉLECTRICITÉ, QU’EST-CE QUE C’EST ?

Le terme électricité est ambigu et son emploi prête à confusion, même chez les scientifiques et les enseignants. De façon générale, l’électricité est un phénomène d’interaction entre des particules qui existent dans la nature, et ce phénomène se produit lorsqu’un certain nombre de ces particules se retrouvent en un même endroit.

Au lieu de parler d’électricité, il est préférable d’utiliser une terminologie plus précise pour décrire tout ce qui est électrique :

» Charge électrique : Propriété fondamentale de certaines particules, indiquant la manière dont elles interagissent. Une charge peut être soit positive, soit négative. Des particules de même type se repoussent, tandis que des particules de type opposé s’attirent.

» Énergie électrique : Forme d’énergie résultant du comportement de particules porteuses d’une charge électrique. C’est ce que vous fournit cette fameuse compagnie qui vous envoie régulièrement une facture.

» Courant électrique : Flux de particules porteuses d’une charge électrique. Il s’agit sans doute de ce que vous avez le plus souvent tendance à appeler électricité, et c’est bien ce dont il est question dans ce livre.

Le courant électrique, qu’est-ce que c’est ?

Le courant électrique, souvent appelé familièrement électricité (voir l’encadré « L’électricité, qu’est-ce que c’est ? ») est un flux d’infimes particules porteuses d’une charge électrique et appelées les électrons. Où trouve-t-on ces électrons, et comment se déplacent-ils ? Pour le savoir, intéressons-nous un peu à la physique des atomes.

À la découverte de l’atome

Les atomes sont les éléments de base constituant toute matière dans l’univers, qu’elle soit naturelle ou fabriquée par l’homme. Ils sont si minuscules qu’il en existe des millions dans un seul grain de poussière. Chaque atome est constitué des particules subatomiques suivantes :

» Les protons sont porteurs d’une charge électrique positive et sont situés au centre de l’atome, c’est-à-dire à l’intérieur de son noyau.

» Les neutrons ne sont porteurs d’aucune charge électrique, et ils coexistent avec les protons à l’intérieur du noyau.

» Les électrons sont porteurs d’une charge électrique négative et sont situés à l’extérieur du noyau, dans ce que l’on appelle le nuage d’électrons. Ne vous souciez pas de la localisation exacte des électrons d’un atome particulier. Sachez simplement que les électrons tournent à grande vitesse autour du noyau, et que certains sont plus proches du noyau que d’autres.

C’est la combinaison particulière de protons, d’électrons et de neutrons dans l’atome qui en détermine le type, et une substance constituée d’un seul type d’atome s’appelle un élément (vous vous souvenez peut-être du tableau périodique des éléments de votre cours de chimie). La Figure 1-2 est la représentation simplifiée d’un atome d’hélium, et la Figure 1-3 représente un atome de cuivre.

FIGURE 1-2 Le noyau de cet atome d’hélium est constitué de 2 protons et de 2 neutrons, et 2 électrons tournent autour du noyau.

FIGURE 1-3 Un atome de cuivre est constitué de 29 protons, de 35 neutrons et de 29 électrons.

Une histoire d’attraction entre les protons et les électrons

La charge électrique est une propriété de certaines particules comme les électrons, les protons et les quarks (oui, c’est bien ça, les quarks). Cette propriété décrit la façon dont ces particules interagissent. On distingue deux types de charge électrique, appelés de façon quelque peu arbitraire les charges positives et les charges négatives (un peu comme les quatre points cardinaux sont appelés nord, sud, est, et ouest). De façon générale, des particules porteuses du même type de charge se repoussent, tandis que des particules porteuses de charges de type différent s’attirent. Dans chaque atome, les protons, qui sont situés dans le noyau, attirent les électrons qui se trouvent à l’extérieur du noyau.

Vous pouvez observer un phénomène similaire d’attraction et de répulsion en utilisant des aimants. Si vous placez le pôle nord d’une barre aimantée à proximité du pôle sud d’une autre barre aimantée, vous constaterez que les aimants s’attirent. Au contraire, si vous placez le pôle nord d’une barre aimantée à proximité du pôle nord d’une autre barre aimantée, vous constaterez que les aimants se repoussent. Cette mini-expérience vous donne une idée de ce qui se produit entre les protons et les électrons, sans que vous ayez besoin pour cela de fractionner un atome !

Dans des circonstances normales, chaque atome comporte le même nombre de protons que d’électrons. On dit que l’atome est électriquement neutre (remarquez que l’atome d’hélium possède 2 protons et 2 électrons tandis que l’atome de cuivre en possède 29 de chaque). La force d’attraction entre les protons et les électrons agit comme une colle invisible et assure la cohésion des particules atomiques, de la même manière que la force de gravité de la Terre maintient la Lune à proximité.

Les électrons les plus proches du noyau sont plus fortement attachés à l’atome que ceux qui en sont plus éloignés : certains atomes savent mieux que d’autres conserver leurs électrons les plus éloignés. La façon dont les atomes retiennent ou ne retiennent pas les électrons se révèle importante dès qu’il s’agit d’électricité.

Conducteurs et isolants

Une matière dans laquelle les électrons externes sont faiblement attachés aux atomes, comme le cuivre, l’aluminium et les autres métaux, est un conducteur électrique, ou plus simplement un conducteur. Le cuivre est un bon conducteur car il comporte un électron seul faiblement attaché en périphérie du nuage d’électrons. Les matériaux dont les atomes conservent bien leurs électrons sont appelés des isolants. L’air, le verre, le papier et le plastique sont de bons isolants, de même que les polymères qui ressemblent au caoutchouc et qui sont utilisés pour isoler les fils et les câbles électriques.

Dans un conducteur, les électrons les plus éloignés des noyaux leur sont si peu attachés qu’ils ont tendance à circuler d’un atome à un autre. Ces électrons « libres » sont comme des moutons qui paissent sur le versant d’une colline : ils se promènent au hasard, mais ne s’éloignent pas beaucoup et ne partent pas dans une direction particulière. Cependant, si on les pousse dans une certaine direction, ils s’organisent rapidement et se déplacent dans le sens de la poussée.

Mobiliser les électrons pour créer un courant

Le courant électrique (souvent appelé familièrement électricité) est le mouvement en masse des électrons dans un même sens à travers un conducteur sous l’effet d’une force extérieure. Cette force extérieure est la tension.

Ce flux apparaît instantanément, car d’une extrémité à l’autre du conducteur, tout électron libre se met en mouvement de façon plus ou moins immédiate et passe d’un atome à un autre. Ainsi, au même moment, chaque atome perd un électron au profit d’un atome voisin et gagne un électron aux dépens d’un autre atome voisin. Le résultat de cette cascade d’électrons sauteurs est le courant électrique.

Pensez à une chaîne de seaux : des hommes sont alignés côte à côte, chacun tenant un seau d’eau. À une extrémité de la chaîne, quelqu’un remplit un seau, tandis que la personne située à l’autre extrémité vide son seau. Au signal, chacun passe son seau à son voisin de gauche puis reçoit un seau de son voisin de droite. Chaque seau parcourt donc une distance très courte (d’une personne à une autre), mais tout se passe comme si un seau rempli à une extrémité de la chaîne passait en un instant à l’autre extrémité. De la même manière, dans un courant électrique, chaque électron prend la place qu’occupait l’électron voisin, et tout se passe comme si les électrons se déplaçaient instantanément d’une extrémité à l’autre du conducteur (voir Figure 1-4).

FIGURE 1-4 Le flux des électrons dans un conducteur peut être comparé à une chaîne de seaux.

La force d’un courant électrique est déterminée par le nombre de charges (portées habituellement par des électrons) traversant un point fixe en une seconde, et elle se mesure en ampères (A en abrégé). Un ampère correspond à 6 241 000 000 000 000 000 électrons par seconde (cette quantité peut être exprimée de façon plus concise en utilisant la notation scientifique 6,241 x 10¹⁸). Mesurer le courant électrique est un peu comme mesurer un débit d’eau en litres par seconde, par exemple. Le symbole I représente la force du courant électrique (on parlera plus couramment d’intensité du courant).

Le coulomb est l’unité de mesure de la charge portée par 6 241 000 000 000 000 000 électrons. Un coulomb est la quantité de charge correspondant à un courant d’un ampère pendant une seconde. Il est bien de savoir ce que sont les coulombs, mais la notion d’ampère est plus importante ici, car le déplacement des charges, c’est-à-dire le courant, est au cœur même de l’électronique.

Un réfrigérateur utilise généralement entre 3 et 5 ampères, et un grille-pain à peu près 9 ampères. Cela fait beaucoup d’électrons à la fois, bien plus que le déplacement habituel des électrons dans un système électronique. En électronique, le courant sera donc plus souvent mesuré en milliampères (mA).

Un milliampère est égal à un millième d’ampère, soit 0,001 A (ou dans la notation scientifique, 1 x 10⁻³ A).

DE L’ÉLECTRICITÉ, OÙ ÇA ?

Pour sentir un flux d’électrons, frottez vos semelles sur un tapis, par temps sec, puis touchez une poignée de porte. Le petit choc que vous allez sentir (et l’étincelle que vous allez peut-être voir) est le résultat d’un flux de particules porteuses d’une charge électrique qui transitent entre l’extrémité de vos doigts et la poignée de la porte. C’est ce que l’on appelle l’électricité statique. Il s’agit de l’accumulation de particules chargées qui restent statiques (immobiles) jusqu’à ce qu’elles soient rapprochées d’un ensemble de particules de charge opposée.

La foudre et les éclairs sont un autre exemple d’électricité statique (mais que vous ne chercherez pas à connaître de trop près). Des particules chargées passent d’un nuage à un autre ou d’un nuage au sol. L’énergie résultant du mouvement de ces particules chargées provoque l’échauffement rapide de l’air à près de 20 000 oC, ce qui entraîne une illumination et une onde de choc audible. C’est ce que l’on appelle communément le tonnerre.

Quand on obtient suffisamment de particules en mouvement et quand on parvient à exploiter l’énergie qu’elles libèrent en contrôlant leur mouvement, on peut utiliser cette énergie pour alimenter une ampoule électrique ou d’autres appareils.

Mesurer ce qu’est la tension

Le courant électrique est le flux d’électrons chargés négativement à travers un conducteur, lorsqu’une certaine force est appliquée. Mais quelle est donc cette force capable d’entraîner ce mouvement harmonieux des électrons ? Dans cette chaîne des seaux, qui est le chef de chantier ?

Que la force soit avec toi

Techniquement, la force qui déplace les électrons le long d’un conducteur est la force électromotrice (en abrégé, FEM ou E), mais on parle plus communément de tension (notée U). La tension se mesure en volts (V en abrégé). Quand on applique à un conducteur une certaine tension, les électrons libres qu’il contient se déplacent dans un même sens, comme les moutons que le berger conduit vers un enclos (mais bien plus rapidement).

La tension peut se comparer à une pression. De même que l’eau circule à travers les tuyaux et les valves sous l’effet de la pression, les électrons traversent les conducteurs sous l’effet de la tension. De même que la poussée de l’eau est proportionnelle à la pression, la force du courant électrique est proportionnelle à la tension.

Ce qui fait la différence

Une tension est simplement une différence de charge électrique entre deux points. Dans une pile, des atomes porteurs d’une charge négative (des atomes avec un excès d’électrons) s’accumulent sur une des deux plaques (ou électrodes) en métal, et des atomes porteurs d’une charge positive (des atomes avec un défaut d’électrons) s’accumulent sur l’autre électrode en métal, ce qui produit une tension entre les deux électrodes (voir Figure 1-5). En joignant les deux électrodes par un chemin conducteur, on permet aux électrons en excès de voyager d’une électrode à l’autre, et un courant circule pour tenter de neutraliser ces charges. La force électromotrice qui fait circuler un courant quand le circuit est fermé découle de la différence de charges entre les deux pôles de la pile (pour plus de détails sur le fonctionnement des piles, lire la section « Le courant continu fourni par une pile », plus loin dans ce chapitre).

À propos de tension, vous entendrez aussi parler de différence de potentiel, de potentiel de tension ou de chute de tension. Le mot potentiel fait référence à la possibilité qu’un courant circule quand on ferme le circuit, et les mots chute et différence font référence à la différence de charge qui est à l’origine de la tension. Pour plus de détails, lire le Chapitre 3.

Exploiter l’énergie électrique

Benjamin Franklin aura été l’un des premiers à porter son attention sur l’électricité et à en faire le sujet de ses expériences. On lui doit un certain nombre de notions aujourd’hui

FIGURE 1-5 Dans une pile, la différence de charge entre deux électrodes en métal produit une tension.

familières (par exemple, la notion de courant). Contrairement à une croyance répandue, Franklin ne tenait pas la poignée de son cerf-volant pendant cette fameuse tempête, en 1752 (s’il l’avait tenue, il n’aurait jamais pu connaître la Révolution américaine). Il a peut-être vraiment réalisé cette expérience, mais sans tenir lui-même le cerf-volant.

Benjamin Franklin savait que l’électricité était dangereuse et qu’elle recelait un grand pouvoir. Suite à ses travaux, on s’est demandé s’il serait possible de trouver des applications pratiques au pouvoir de l’électricité. Des savants comme Michael Faraday, Thomas Edison et d’autres ont approfondi ses travaux et ont trouvé des solutions pour exploiter l’énergie électrique et en faire bon usage.

Vous avez hâte d’exploiter à votre tour l’énergie électrique, mais n’oubliez pas qu’il y a plus de deux cent cinquante ans, Benjamin Franklin avait déjà compris que l’électricité naturelle pouvait être dangereuse et que des précautions étaient nécessaires. Dans certaines circonstances, même un faible courant peut être dangereux, voire même fatal. Au Chapitre 13, je vous explique plus en détail les dégâts qu’un courant électrique peut provoquer et les précautions que vous devez prendre pour vous adonner à l’électronique sans risque.

Dans cette section, nous allons voir comment les électrons transportent l’énergie et comment cette énergie peut servir à faire fonctionner des ampoules, des moteurs et autres équipements.

L’énergie électrique : tout est dans le mouvement

Les électrons transportent de l’énergie d’une extrémité à l’autre du conducteur qu’ils parcourent. Des charges de même signe se repoussent, si bien que chaque électron exerce une force répulsive sur l’électron qui le précède et le pousse. C’est ainsi que l’énergie électrique se propage à travers le conducteur.

Dès lors que l’on peut faire transiter de l’énergie vers un dispositif capable de l’utiliser, comme une ampoule, un moteur ou un haut-parleur, cette énergie est exploitable. L’énergie véhiculée par les électrons est absorbée par le dispositif en question et transformée en une autre forme d’énergie : lumière, chaleur ou énergie mécanique. C’est ainsi que le filament de l’ampoule brille, que le moteur tourne et que la membrane du haut-parleur vibre.

Sachant que vous ne pouvez pas voir les électrons circuler, faisons une analogie avec l’eau. Une seule goutte d’eau qui tombe ne peut pas être d’une grande utilité ni faire du mal, mais une grande quantité d’eau qui tombe d’un seul coup et qui est recueillie dans une canalisation peut devenir une source d’énergie (elle peut, par exemple, faire tourner un moulin). De même que des millions de gouttes d’eau qui se déplacent en même temps dans le même sens constituent un courant, des millions d’électrons qui se déplacent dans le même sens produisent un courant électrique. Benjamin Franklin lui-même avait exprimé cette idée que l’électricité était comparable à un fluide, en raison du courant et de la pression.

Quelle est donc l’origine de cette énergie ? Au départ, qu’est-ce qui provoque ce mouvement des électrons ? L’origine de l’énergie électrique est ce que l’on appelle une source, ce peut être par exemple une pile (les sources d’énergie électrique sont abordées dans la section « Comment obtenir de l’énergie électrique «, plus loin dans ce chapitre).

Le travail par lequel les électrons délivrent l’énergie

Le mot « travail » a une signification particulière en physique, lorsqu’il s’agit de l’énergie fournie par les électrons à une ampoule ou autre dispositif électrique. Le travail est la mesure de l’énergie consommée par un appareil pendant un temps donné quand une force (une tension) est appliquée aux électrons qui le traversent. L’énergie électrique disponible et le travail utilisable (la luminosité de la lampe ou la vitesse de rotation du moteur, par exemple) sont fonction du nombre d’électrons poussés et de la force qui les pousse.

La puissance (P en abrégé) est l’énergie totale consommée pendant un temps donné, et elle se mesure en watts (W). La puissance se calcule en multipliant la force (la tension) par l’intensité du flux d’électrons (ou courant) :

puissance = tension x intensité

soit

P = V x I

Le calcul de la puissance est une des équations que vous ne devez vraiment pas négliger, en raison de son importance pour éviter d’occasionner des dommages. Tout élément électronique, ou composant, ne peut supporter qu’une quantité d’énergie limitée. Si vous faites passer un flux d’électrons excessif à travers un composant donné, cela entraîne la production d’une forte chaleur, et le composant risque de griller. La puissance maximale admise par un composant est souvent indiquée, ce qui vous permet d’éviter un certain nombre de désagréments. Ce point sera rappelé dans les chapitres qui suivent, lorsque les composants seront étudiés l’un après l’autre avec des précisions sur leurs puissances nominales et sur la façon dont il convient d’utiliser le calcul de puissance pour protéger tous les éléments d’un circuit.

Utiliser des circuits de telle sorte que les électrons arrivent à destination

Le courant électrique ne se dirige pas n’importe où (si c’était le cas, vous recevriez des chocs à tout moment). Les électrons ne circulent que le long d’un chemin conducteur fermé, c’est-à-dire le long d’un circuit électrique, ou plus simplement d’un circuit, et encore faut-il que cette circulation soit engendrée par une pile ou autre source d’énergie électrique.

Comme le montre la Figure 1-6, tout circuit nécessite au moins trois facteurs essentiels pour que les électrons transportent l’énergie :

» Une source : La source fournit la force qui déplace les électrons à travers le circuit. Vous entendrez aussi parler de source électrique, de générateur (de tension) ou de source d’énergie (électrique).

» Un récepteur : Un récepteur est un élément ou un appareil qui absorbe l’énergie électrique dans un circuit (par exemple, une ampoule ou un réfrigérateur). C’est, pour ainsi dire, la destination du flux d’énergie.

» Un chemin : Un chemin conducteur est ce qui permet aux électrons de circuler entre la source et le récepteur. Les fils électriques permettant de créer ce chemin sont communément fabriqués avec du cuivre ou d’autres matériaux conducteurs.

Le courant électrique commence par une impulsion à partir de la source et circule le long du chemin vers le récepteur, au niveau duquel l’énergie produit un effet déterminé : par exemple, l’émission de lumière. La circulation se poursuit jusqu’à l’autre extrémité de la source.

FIGURE 1-6 Un circuit simple constitué d’une source d’énergie, d’un récepteur et d’un chemin conducteur du courant.

Le plus souvent, le circuit comporte d’autres composants électroniques qui servent à contrôler la circulation du courant.

Si vous créez simplement un chemin conducteur en boucle fermée comportant une source d’énergie mais ne comportant ni ampoule, ni haut-parleur, ni récepteur externe quelconque, vous obtiendrez tout de même un circuit à travers lequel le courant circulera. Dans ce cas, le rôle du récepteur sera joué par la résistance du fil électrique et par la résistance interne de la pile, si bien que l’énergie électrique sera transformée en énergie thermique, c’est-à-dire en chaleur (à propos des résistances, lire le Chapitre 5). En l’absence d’un récepteur externe absorbant une partie de l’énergie électrique, la chaleur risque de faire fondre l’isolant qui entoure le fil conducteur ou de provoquer une explosion, ou encore, de libérer les substances chimiques dangereuses contenues dans la pile. Au Chapitre 3, vous trouverez davantage d’explications sur ce type de circuit, qu’on appelle un court-circuit.

Comment obtenir de l’énergie électrique ?

Si vous recourbez les extrémités d’un fil de cuivre jusqu’à en faire un cercle, pensez-vous que les électrons libres circuleront ? Peut-être gigoteront-ils un peu, sachant qu’ils ont la bougeotte, mais en l’absence d’une force pour les entraîner dans un sens ou dans l’autre, il n’y aura pas de courant.

Reprenons l’analogie avec le tuyau rempli d’eau : l’eau pourra fluctuer, mais elle ne circulera pas d’elle-même. Pour établir une circulation d’eau dans le tuyau, il faut de l’énergie, et cette énergie sera produite par une différence de pression.

De manière analogue, dans un circuit, une source d’électricité (d’énergie) est nécessaire pour déplacer les électrons. Cette source pourra être, par exemple, une pile ou une cellule photovoltaïque. Quant à l’énergie électrique délivrée par vos prises de courant, elle est produite par votre compagnie d’électricité et peut provenir de différentes sources. Une source d’électricité, qu’est-ce que c’est, exactement ? Comment peut-on « fabriquer » de l’énergie électrique ?

L’énergie électrique n’est pas créée à partir de rien (ce serait contraire à une loi physique fondamentale, la loi de conservation de l’énergie, selon laquelle l’énergie ne peut être ni créée ni détruite). Elle est produite par conversion d’une autre forme d’énergie (mécanique, chimique, thermique, ou lumineuse par exemple) en énergie électrique. La technique utilisée pour produire l’énergie électrique n’est pas sans importance, sachant que des sources de type différent ne produiront pas toutes le même type de courant électrique. Il existe en effet deux types de courant :

» Le courant continu : Il s’agit d’un flux constant d’électrons dans un sens unique, la force du courant variant très peu. Les piles et les accumulateurs (appelés couramment batteries) produisent du courant continu, et c’est le type de courant qu’utilisent la plupart des circuits électroniques.

» Le courant alternatif : Il s’agit d’un flux d’électrons dont le sens s’inverse périodiquement, à une fréquence élevée. C’est le type de courant que vous fournit votre compagnie d’électricité.

Le courant continu fourni par une pile

Une pile convertit l’énergie chimique en énergie électrique grâce à un processus appelé réaction électrochimique. Quand deux métaux différents baignent dans un certain type de substance chimique, leurs atomes réagissent avec les atomes de cette substance pour produire des particules chargées, qu’on appelle les ions. Comme le montre la Figure 1-7, les ions négatifs s’accumulent sur une terminaison métallique, appelée borne ou électrode, et les ions positifs s’accumulent autour de l’autre électrode. La différence de charge entre les deux électrodes est ce qui crée une tension. Cette tension est la force qui permet de déplacer les électrons le long d’un circuit.

FIGURE 1-7 Le courant continu produit par une pile.

On pourrait penser que les ions porteurs de charges opposées se déplacent les uns vers les autres à l’intérieur de la pile, sachant que des charges opposées s’attirent, mais la substance chimique contenue dans la pile agit comme une barrière pour empêcher cela.

Pour utiliser une pile dans un circuit, on relie une borne du récepteur – par exemple une lampe électrique – à la borne négative de la pile (appelée anode), et l’autre borne du récepteur à la borne positive (appelée cathode). On crée ainsi un chemin par lequel les charges vont circuler. Dans un circuit, les électrons se déplacent de l’anode vers la cathode. Au passage des électrons dans le filament de l’ampoule électrique, une partie de l’énergie électrique fournie par la pile est convertie en chaleur et en lumière, et cette chaleur fait briller et chauffer le filament.

Sachant que les électrons ne se déplacent que dans un sens (de la borne négative à la borne positive, le long du circuit), le courant électrique produit par la pile est un courant continu. Une pile continue de produire du courant jusqu’à ce que toute la substance chimique qu’elle contient ait été épuisée par le processus électrochimique. Les piles de format AAA, AA, C et D que vous avez sans doute l’habitude d’acheter produisent une tension d’environ 1,5 volt. De leur différence de taille dépend la quantité de courant qu’elles peuvent délivrer. Plus une pile est grosse, plus elle peut fournir de courant et plus longtemps elle durera. Un appareil plus gros a besoin d’une pile plus grosse, ce qui revient à dire qu’une pile plus grosse donne davantage de puissance (n’oubliez pas : puissance = tension x courant).

D’un point de vue technique, une batterie est un groupement d’unités, en l’occurrence, des piles ou des accumulateurs. En branchant en série plusieurs piles, comme cela se fait souvent dans les jouets et autres appareils électriques, on crée, d’une certaine manière, une batterie. Une batterie de voiture est constituée de six accumulateurs délivrant chacun entre 2 et 2,1 volts, reliés ensemble pour produire une tension comprise entre 12 et 12,6 volts.

Le courant alternatif produit par une centrale électrique

Quand vous branchez une lampe sur une prise de courant, vous vous servez de l’énergie électrique produite par une centrale. Une centrale utilise une ressource naturelle – eau, charbon, fioul, gaz naturel ou uranium – pour produire de l’énergie électrique, selon un procédé en plusieurs étapes. C’est la raison pour laquelle l’énergie électrique est considérée comme une source d’énergie secondaire : elle provient de la conversion d’une source d’énergie primaire.

Le courant électrique généré par une centrale fluctue et change de sens à un rythme régulier qu’on appelle la fréquence du courant alternatif, mesurée en hertz (Hz). Aux États-Unis et au Canada, la fréquence du courant alternatif est de 60 Hz, tandis qu’en Europe, elle est de 50 Hz. L’installation électrique d’une habitation délivre un courant alternatif pour une tension de 220 volts.

Certains appareils, comme les radiateurs électriques, les sèche-cheveux et les rasoirs électriques utilisent directement le courant alternatif du secteur. Si vous vous rendez dans un pays où la tension et la fréquence du courant alternatif ne sont pas les mêmes que chez vous, vous aurez peut-être besoin d’un transformateur ou d’un changeur de fréquence.

De nombreux appareils électroniques, comme par exemple les ordinateurs portables et les tablettes numériques, ne peuvent fonctionner qu’alimentés par un courant continu. Il est donc nécessaire de convertir le courant alternatif du secteur en courant continu, à l’aide d’un transformateur redresseur ou adaptateur. De la même manière, le chargeur de votre téléphone mobile convertit le courant alternatif en courant continu pour alimenter la batterie rechargeable de l’appareil.

Transformer la lumière en électricité

Les sources d’énergie solaire sont constituées de cellules photovoltaïques, qui produisent une tension électrique de faible voltage quand elles reçoivent des rayons lumineux. Ces cellules sont constituées de semi-conducteurs, c’est-à-dire de matériaux à mi-chemin entre les conducteurs et les isolants, en termes de propension à relâcher les électrons (les semi-conducteurs sont abordés plus en détail au Chapitre 9). La tension produite par une cellule photovoltaïque est constante, quelle que soit la quantité de lumière qu’elle reçoit. En revanche, l’intensité du courant produit dépendra de la luminosité.

Une cellule photovoltaïque est pourvue de deux bornes entre lesquelles les électrons circulent le long d’un circuit. Vous avez sans doute déjà vu des petits panneaux solaires alimentant des horodateurs, par exemple, mais peut-être pas ces vastes panneaux solaires qui alimentent les satellites.

L’énergie solaire est de plus en plus utilisée pour fournir de l’électricité. Sur Internet, vous trouverez d’abondantes informations sur les panneaux solaires. Vous pouvez même fabriquer vos propres panneaux solaires.

FIGURE 1-8 Cette calculette est alimentée en énergie électrique par des cellules photovoltaïques.

Des symboles pour représenter les sources d’énergie

La Figure 1-9 montre les symboles communément utilisés pour représenter les différentes sources d’énergie sur un schéma de circuit électrique.

Le premier symbole (à gauche) représente une pile. Le signe + désigne la borne positive (ou cathode), et le signe – désigne la borne négative (ou anode). En général, la tension figure à côté du symbole. Le deuxième symbole (au centre) est celui d’une source de courant alternatif. Le dessin d’une onde sinusoïdale rappelle que la tension varie à la hausse et à la baisse. Le troisième symbole (à droite) est celui d’une cellule photovoltaïque. Les deux flèches qui pointent vers le symbole de la pile représentent l’énergie lumineuse.

FIGURE 1-9 Les symboles d’un schéma de circuit électrique.

C’est fou ce que les électrons sont capables de faire !

Imaginez que l’on applique un courant électrique à une paire de haut-parleurs, sans utiliser quoi que ce soit pour contrôler ou « moduler » ce courant. Qu’allez-vous entendre ? Cela ne produira certainement pas de la musique ! Au contraire, avec un assemblage d’éléments électroniques approprié, il est possible de contrôler la façon dont vibrera la membrane de chaque haut-parleur, de telle sorte que ce haut-parleur produise des sons bien particuliers, ceux d’un discours ou d’une certaine musique. Dès que l’on sait contrôler le flux des électrons, il y a une infinité de choses que l’on peut faire avec un courant électrique.

L’électronique consiste à utiliser des éléments bien particuliers appelés composants électroniques (tels que résistances, condensateurs, inducteurs et transistors) pour contrôler le courant (ou flux d’électrons) de manière à remplir une fonction spécifique.

Ce qui est bien avec l’électronique, c’est qu’il suffit d’avoir compris comment fonctionnent certains types de composants et comment s’appliquent quelques principes élémentaires pour pouvoir commencer à comprendre et à assembler des circuits intéressants.

Cette section présente simplement un échantillon de tout ce que vous pouvez faire grâce aux circuits et au contrôle du flux des électrons.

Créer de bonnes vibrations

Les composants électroniques de votre baladeur MP3 comme ceux de votre autoradio et de votre chaîne hi-fi convertissent l’énergie électrique en énergie sonore. Dans chacun de ces exemples, les haut-parleurs sont des récepteurs, c’est-à-dire la destination de l’énergie électrique. Le rôle des composants électroniques du système consiste à donner une « forme » particulière au courant dirigé vers les haut-parleurs, à le « moduler » de telle sorte que les vibrations de la membrane de chaque haut-parleur reproduisent le son original.

Le voir, c’est le croire

Dans les systèmes de visualisation, le rôle des composants électroniques est de contrôler la périodicité et l’intensité d’émissions lumineuses. Un système de télécommande comme celui de votre téléviseur, par exemple, émet des rayons infrarouges quand vous appuyez sur un bouton. L’appareil commandé réagit en fonction des caractéristiques particulières du signal lumineux émis.

Un écran plat à cristaux liquides (LCD) ou à plasma est constitué de plusieurs millions d’éléments minuscules, ou pixels. Chaque pixel est un point lumineux rouge, bleu ou vert qui peut être allumé ou éteint selon un processus électronique. Les circuits électroniques d’un téléviseur contrôlent l’allumage programmé et l’état de chaque pixel, et c’est ce qui conditionne l’image apparaissant sur l’écran.

Capter et réagir

L’électronique peut aussi permettre le déclenchement automatique d’un événement en réponse à un niveau particulier de lumière, de chaleur, de bruit ou de mouvement. Un capteur électronique produit ou modifie un courant électrique en réponse à un stimulus. Microphones, détecteurs de mouvement, sondes de température et capteurs de lumière peuvent servir à déclencher le fonctionnement d’autres éléments qui activeront, par exemple, un système d’ouverture de porte ou une alarme.

Contrôler le mouvement

Une des applications les plus courantes de l’électronique consiste à contrôler la mise en marche, l’arrêt et la vitesse des moteurs. Vous pouvez ainsi contrôler le mouvement d’une hélice, d’un volet roulant ou d’un jouet télécommandé, par exemple. C’est le genre d’application électronique que l’on retrouve dans la robotique, dans les avions, dans les engins spatiaux, dans les ascenseurs, etc.

Résoudre des problèmes

Pour effectuer des opérations mathématiques, les savants de l’Antiquité se servaient de bouliers. Aujourd’hui, nous utilisons pour cela des calculatrices électroniques et des ordinateurs. Sur un boulier, les calculs se faisaient en manipulant des boules qui représentaient des nombres. Dans un système informatisé, les nombres, les caractères et autres informations sont représentés par de l’énergie électrique stockée selon des séquences particulières. Les calculs sont effectués en manipulant ces séquences par l’intermédiaire des composants électroniques (bien entendu, les électrons qui travaillent pour vous, à l’intérieur des circuits, ne savent pas qu’ils additionnent des nombres !). Le résultat de ces calculs est mis en mémoire en tant que nouvel ordonnancement de l’énergie électrique, pour être dirigé, notamment, vers des circuits particuliers conçus pour afficher quelque chose sur un écran.

Communiquer sous différentes formes

Les circuits électroniques de votre téléphone cellulaire convertissent le son de votre voix en signaux électriques, compriment et codent ces signaux, les convertissent en signaux radio et envoient ces signaux radio dans l’atmosphère. Ces signaux sont captés par une tour de communication. D’autres circuits contenus dans votre téléphone détectent les messages entrants, en provenance de la tour de communication, décodent ces messages et convertissent les signaux électriques obtenus de manière à reconstituer le son de la voix de votre correspondant (via un haut-parleur), ou bien un texte ou une séquence vidéo (grâce à l’écran de votre téléphone).

Les systèmes de communication de données utilisent l’électronique pour transmettre l’information, codée sous forme de signaux électriques, entre deux ou plusieurs points terminaux. Quand vous effectuez un achat en ligne, vos instructions sont transmises sur Internet sous forme d’impulsions électriques, de votre appareil (ordinateur, smartphone ou tablette numérique) à un système de communication géré par une société. Les électrons se chargent de convertir, grâce à des circuits électroniques, vos désirs de consommateur en bons de commande, et de prélever le paiement sur votre compte en banque.