Paramètres électriques

Retour sur les fondamentaux et leurs subtiles interactions

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Dans cet article, nous discutons des paramètres électriques de base, volts, ampères, charge électrique, capacité, inductance et ohms. Tous les techniciens en électronique, en particulier les techniciens d'ascenseurs et les préposés à l'entretien, connaissent les principes de base, mais il existe certaines subtilités dans leur interaction qui méritent d'être examinées.

Pour intervenir sur des équipements électriques, notamment des ascenseurs, en conception et fabrication ou en diagnostic et réparation, une connaissance précise des paramètres électriques est requise. Les plus basiques sont les ampères, les volts, les ohms et les coulombs.

L'ampli est l'unité de courant électrique, commençant dans l'électrolyte de la batterie ou les enroulements d'un générateur électrique, circulant à travers les conducteurs, à travers la charge et retour à the source. Dans tout ce circuit, à moins qu'il ne se divise en branches séparées, le courant est le même, conformément à la loi actuelle de Kirchhoff. C'est un principe très basique en électronique, et il est extrêmement utile dans les diagnostics préliminaires. Tous ces électrons doivent aller quelque part, et ils ne sont pas perdus, même lorsqu'ils traversent une charge résistive où une partie de l'énergie est dissipée sous forme de chaleur. (C'est la puissance qui est dissipée, pas le courant.)

Un ampli, par définition, est constitué d'un débit de 6.24 X 10¹⁸ électrons passant par un point spécifique dans un circuit électrique par seconde. (C'est 624 suivi de 18 zéros. Si vous ne comprenez pas, recherchez la notation scientifique sur Internet.) Ce chiffre est absolument exact car il est fixé par définition. Les définitions des autres paramètres électriques sont dérivées de la définition de l'ampli.

Étant donné que l'ampère est une mesure du flux de courant à travers un corps conducteur, il est inapproprié de parler du courant électrique comme étant une propriété de the source sauf que toute source a un courant maximal disponible, qui augmente rapidement lorsque la résistance ou l'impédance de la charge est abaissée en dessous d'une valeur critique.

Les électriciens utilisent une pince ampèremétrique pour mesurer le courant consommé par des charges lourdes telles qu'un moteur d'ascenseur. En appuyant sur l'interrupteur au pouce sur le côté de l'instrument, les mâchoires s'ouvrent et peuvent se refermer autour d'un conducteur sous tension, nu ou isolé. L'écran affiche le courant en ampères circulant dans le circuit. La mesure peut être effectuée sur un conducteur qui alimente un équipement d'exploitation tel qu'un moteur d'ascenseur, sans le mettre hors service.

Le conducteur sous tension et les mâchoires de l'instrument sont le primaire et le secondaire d'un transformateur. Cela mesure le champ magnétique autour du conducteur et l'affichage est calibré pour afficher les ampères. Même si l'Amprobe est essentiellement un transformateur, les modèles avancés peuvent lire le courant continu au moyen d'un dispositif à effet Hall interne.

La pince ampèremétrique est capable de mesurer 200 à 600 ampères. Il ne fonctionne pas sur des câbles contenant deux conducteurs ou plus car les courants qui les traversent voyagent dans des directions opposées et les champs magnétiques s'annulent.

De petites quantités de courant peuvent être lues dans un multimètre. Il est nécessaire d'ouvrir le circuit sous test et de placer le compteur en série. Puis, après avoir pris la mesure, ressouder le circuit. Assurez-vous de vérifier la valeur nominale du multimètre en mode ampères car le multimètre ne tolérera pas une surcharge. N'oubliez pas que lors de la prise de ce type de lecture, par opposition à une lecture d'ampèremètre, de voltmètre ou d'ohmmètre à pince, la quantité totale de courant passe par le compteur.

Le volt est l'unité de force électromotrice. Par définition, c'est le potentiel électrique entre deux conducteurs ou bornes lorsqu'un ampère de courant traverse le circuit. Lorsqu'une charge n'est pas connectée, cet ampère de courant ne circule pas dans le circuit, mais cela n'annule pas la définition de volt. Alternativement, nous pouvons dire qu'un volt est la différence de potentiel entre deux fils ou bornes lorsqu'un joule d'énergie par coulomb de charge traverse le circuit. Il est impropre de parler d'une tension traversant un circuit comme il est impropre de parler d'un courant donné sur une borne.

Notez les relations suivantes :

• Volts égal ampères fois ohms
• Volts égal webers par seconde (flux magnétique par temps)
• Volts égal joules par coulomb

Étant donné que la tension est une différence de potentiel, elle est généralement mesurée à l'aide d'un multimètre dans sa capacité nominale pour sonder un composant sous tension, deux points dans un circuit ou un point dans un circuit et la masse. Il est important de faire fonctionner le multimètre dans sa tension nominale. Si la tension n'est pas connue, il est souvent prudent de supposer que la tension ne dépasse pas la tension d'alimentation, bien que cela puisse ne pas être vrai comme dans un entraînement à fréquence variable pour un moteur d'ascenseur ou un équipement tel qu'un tube cathodique TV avec tensions de déviation élevées, ou partout où il y a un transformateur élévateur.

Pour une compréhension complète des électron-volts et de la façon dont ils unissent les concepts de tension et de charge, nous devons discuter de l'électron-volt (eV), qui a été historiquement utilisé par les théoriciens et les chercheurs. L'eV est un très petit potentiel énergétique. Un billion d'eV correspond à peu près à l'énergie dépensée par un moustique volant. Cela ne doit pas nous déranger, cependant, car en utilisant la notation scientifique ou les préfixes, l'eV peut être amené, disons, à la quantité d'énergie nécessaire pour alimenter un ascenseur de n'importe quelle taille. Cent soixante-douze GeV est l'énergie au repos d'un quark top, la particule élémentaire mesurée la plus lourde.

En physique, un eV est la quantité d'énergie cinétique acquise par un seul électron accélérant depuis le repos à travers une différence de potentiel électrique d'un volt dans le vide. Utilisée comme unité d'énergie, la valeur de 1 eV en joules est égale à la quantité numérique de charge d'un électron en coulombs.

Cela nous amène au concept important de charge. La charge électrique se mesure en coulombs. En travaillant sur les diagnostics et la conception des ascenseurs, vous aurez rarement besoin de mesurer la charge, mais le concept est important dans le circuit du moteur et le contrôleur, en particulier pour ce qui se passe dans les transistors à effet de champ métal-oxyde-semi-conducteur (MOSFET).

Les auteurs anciens connaissaient cinq phénomènes distincts, que nous expliquons à l'aide du concept de charge électrique :

1. Foudre
2. Anguilles électriques et poissons torpilles
3. Feu de Saint-Elme
4. Ambre, frotté de fourrure, qui attire les petits objets
5. L'électricité statique, comme lorsqu'une étincelle saute de la main à un objet métallique

Thalès de Milet (624-546 avant JC) n'a laissé aucun écrit existant, mais on dit qu'il a décrit l'effet ambre, qu'il a déclaré comme preuve que les objets inanimés ont une âme.

D'une manière générale, les Grecs de l'Antiquité ne semblaient pas conscients que les cinq catégories énumérées ci-dessus étaient en aucune façon liées. Les expérimentateurs grecs ont observé que l'ambre chargé attirait les objets légers, et ils ont observé que l'ambre frotté pouvait produire un arc électrique faible.

Une analyse plus détaillée a eu lieu en 1600 après JC, dans William Gilbert's De Magné. Ce scientifique anglais a inventé le mot "electrica" ​​pour décrire l'effet ambre.

Au cours des deux siècles suivants, des scientifiques, dont Benjamin Franklin, ont développé des théories plus sophistiquées de la charge électrique à deux puis à un fluide. Franklin a visualisé l'électricité comme un fluide invisible présent dans toute matière. Il a déclaré que c'était le verre du pot Leydon récemment inventé qui contenait une charge électrique accumulée. Il croyait que le frottement des surfaces isolées faisait passer le fluide d'un endroit à l'autre, constituant un courant électrique. Il a déclaré que lorsque la matière contenait un excès de fluide, elle était chargée positivement et lorsqu'elle avait un déficit, elle était chargée négativement. Il a bien compris la dynamique mais s'est trompé sur la direction du flux. À ce jour, nous disons qu'un électron a une charge négative, bien qu'il n'y ait rien de négatif en soi.

En 1838, Michael Faraday a commencé une étude détaillée de la charge électrique. Il a observé que la charge électrique est une relation entre deux corps matériels car il est impossible de charger un corps sans transmettre la charge opposée à un autre corps matériel. En conséquence, la charge électrique est un déficit ou un excès d'électrons ou d'autres porteurs de charge. De plus, il a conclu que l'état normal des particules doit être non polarisé. Lorsqu'elles sont polarisées, ces particules ont tendance à revenir à leur état non polarisé.

Deux décennies plus tard, James Clerk Maxwell s'est rendu compte que la charge, plutôt qu'une substance, est de l'énergie qui réside dans le champ entre deux substances chargées. On le voit dans le comportement d'un condensateur. Un condensateur se compose de deux plaques conductrices avec des fils attachés, séparées par une fine couche de matériau non conducteur appelée couche diélectrique. Lorsqu'une tension est appliquée aux plaques d'un condensateur, contrairement à la croyance populaire, le courant ne le traverse pas, comme dans une résistance. C'est pourquoi les condensateurs ne dissipent pas beaucoup de chaleur malgré la chute de tension qui peut être mesurée à travers eux lorsqu'ils sont alimentés. Où va cette énergie ? La charge est stockée dans la couche diélectrique, puis, lorsque la tension appliquée est supprimée, la tension revient dans le circuit connecté. Ainsi, la fonction de la couche diélectrique n'est pas seulement de maintenir les plaques écartées et de les isoler électriquement les unes des autres mais aussi de stocker la charge électrique. Ce processus se poursuit jusqu'à ce qu'un état d'équilibre soit atteint. Ensuite, si une polarité opposée est appliquée, le diélectrique est déchargé puis se charge à cette polarité opposée. Cela se produit très rapidement si le courant alternatif, en particulier à haute fréquence, est appliqué.

Pour l'observateur extérieur, cela apparaît comme un flux de courant, mais en réalité c'est la couche diélectrique qui stocke et libère les porteurs de charge.

Un inducteur (bobine) fonctionne de manière similaire, sauf que l'énergie est contenue dans la zone entourant et à l'intérieur de la bobine dans un champ magnétique. Lorsque le courant vers l'inducteur est interrompu, on dit que le champ magnétique s'effondre et que l'énergie est renvoyée aux enroulements qui composent la bobine. Lorsque le courant continu est appliqué à une inductance, il y a une brève pointe de haute tension à travers celle-ci et une autre pointe lorsque la tension est supprimée.

La charge électrique est quantifiée. Il n'existe que dans des multiples entiers de ce que nous appelons e, qui est très petit, égal à 1.62 X 10^-19 coulombs. 

L'unité de charge est le coulomb. Il est défini comme la quantité de charge qui passe par un point spécifié sur un conducteur électrique transportant un ampère de courant en une seconde.

Dans le cours normal du diagnostic ou du prototypage d'un circuit, les travailleurs ont rarement besoin de mesurer la charge car il s'agit de l'intégrale de l'ampérage et du courant et se mesure facilement avec un multimètre en mode ampère ou avec une pince ampèremétrique. Si la charge doit être mesurée directement, utilisez un électromètre ou un galvanomètre balistique.

Un autre paramètre électrique très fondamental est l'ohm. C'est l'unité de résistance électrique, propriété de tout matériau, y compris le vide, capable de conduire les porteurs de charge.

Dans l'imagination populaire, lorsque la tension d'une source telle qu'une batterie ou un générateur est appliquée sur un conducteur, les électrons s'alignent à l'extrémité chargée négativement et voyagent à la vitesse de la lumière jusqu'à l'extrémité positive, vers laquelle ils sont attirés, puis reviennent. à la source d'alimentation. En réalité, leur trajet est beaucoup plus lent et leur mouvement plus aléatoire. Ils sont sujets à des collisions avec des atomes, des ions et des électrons libres dans le conducteur. Cela constitue une résistance, qui provoque le rayonnement et la dissipation d'une partie des électrons sous forme de chaleur.

C'est cette résistance qui est mesurée au moyen du multimètre en mode ohms. La résistance est mesurée quotidiennement par des électriciens et électroniciens. Contrairement aux ampères et aux volts, il ne s'agit pas d'une mesure en direct. Si vous souhaitez mesurer la résistance d'un composant en circuit, comme dans une carte de circuit imprimé dans un contrôleur de mouvement d'ascenseur, assurez-vous d'abord que l'équipement est hors tension. Une tension inattendue appliquée aux fils d'un ohmmètre peut détruire le compteur et blesser l'utilisateur si la tension et/ou le courant de défaut est suffisamment élevé. Méfiez-vous également du fait que les équipements dotés de condensateurs électrolytiques tels qu'une alimentation électrique peuvent stocker une tension résiduelle longtemps après leur mise hors tension. Il existe également une capacité distribuée dans tout le châssis. Pour cette raison, il est préférable de couper un fil, en utilisant un outil de coupe isolé conforme à sa cote et des gants haute tension (disponibles sur Amazon) le cas échéant. 

La résistance R d'un corps est le rapport entre la tension V qui le traverse et le courant I qui le traverse. La conductance G est l'inverse, telle qu'exprimée dans ces équations :

• R = V / I
• G = I/R
• G = I/V

Ces égalités constituent la loi d'Ohm. Elles sont applicables aux matériaux ohmiques, mais pas à certains dispositifs tels qu'une batterie, une diode ou un transformateur, qui ont des propriétés intrinsèques qui occultent les paramètres ohmiques.

La résistance et la conductance d'un corps sont principalement déterminées par sa géométrie et son matériau constitutif. La géométrie affecte la résistance comme dans un fil long et fin, qui a une résistance plus élevée qu'un fil court et épais du même matériau. Le matériel est l'autre facteur. Le courant électrique circule avec peu de perte à travers le fil de cuivre, tandis qu'avec une plus grande perte à travers le fil d'acier de la même épaisseur et de la même longueur. La large gamme de leurs propriétés est connue sous le nom de résistivité. La résistivité d'un matériau donné est constante quelle que soit sa taille, sa forme ou sa configuration dans un circuit. La résistivité d'une boîte de fil dans l'entrepôt est la même que la résistivité d'un cavalier court sur une carte de circuit imprimé, étant donné le même matériau de fil. Mais la résistance dépend de la résistivité, de la forme et de la taille. Des facteurs supplémentaires, autres que la forme, la taille et la résistivité, tels que la température et la contrainte, ont également un impact sur la résistance d'un conducteur ou d'un dispositif dans un circuit électrique, bien qu'au niveau le plus élémentaire des diagnostics de contrôleur de mouvement et de variateur de vitesse, ces effets n'affectent pas doivent être pris en compte, à moins que des conditions subtiles ne soient suspectées.

La résistance à travers la plupart des corps de même taille, forme et résistivité est constante. Mais la résistivité des différents matériaux varie énormément. Par exemple, la conductivité du Téflon, un bon isolant, est de 10³⁰ inférieur au cuivre. C'est parce que les électrons dans un isolant sont liés à des endroits spécifiques et donc incapables de transporter des charges d'une extrémité du matériau à l'autre extrémité. En revanche, les conducteurs tels que les métaux ont beaucoup plus d'électrons libres qui ne sont pas liés en place aux atomes, mais sont capables de se déplacer librement à travers les espaces relativement vastes entre les atomes. La plupart des matériaux, comme le carbone, ont une résistivité intermédiaire. La plupart des résistances sont fabriquées en mélangeant diverses proportions de carbone pulvérisé avec une pâte ayant une résistivité différente.

Les supraconducteurs pourraient être la vague de l'avenir, en particulier dans l'espace extra-atmosphérique à basse température. Les supraconducteurs sont constitués de matériaux qui ont une résistivité proche de zéro (conductivité infinie) s'ils sont suffisamment refroidis. Par conséquent, il n'y a presque pas de dissipation d'énergie électrique, pas de perte appréciable. Ce qui est problématique, c'est qu'à ce stade, les conducteurs métalliques doivent être refroidis à l'hélium liquide à environ 4°K pour fonctionner comme des supraconducteurs.

Des systèmes avancés ont été développés qui fonctionnent à 77 ° K. Ils fonctionnent avec le liquide de refroidissement à l'azote liquide beaucoup moins coûteux, mais les matériaux sont des céramiques plus chères, cassantes et fragiles, ce qui n'est pas pratique. Parce que les supraconducteurs métalliques nécessitent des caloporteurs difficiles, notamment l'hélium liquide, les chercheurs sont fortement incités à découvrir de meilleurs matériaux à haute température, c'est-à-dire ceux qui deviennent supraconducteurs à la température de l'azote liquide convivial.

Jusqu'à présent, ce qui a été trouvé, ce sont des oxydes de cuivre et des composés à base de fer. Malheureusement, ces matériaux ne se prêtent pas à être transformés en conducteurs utilisables. Un domaine prometteur est celui des gaz supraconducteurs, mais, jusqu'à présent, il s'agit surtout de spéculation.

Les supraconducteurs à basse température sont utilisés dans des applications spécialisées, telles que les collisionneurs de particules, qui nécessitent de grands conducteurs à très faible résistance pour alimenter d'énormes aimants qui accélèrent les particules sur leur chemin.