Qu’est-ce que l’électricité ?

Ben Franklin a commencé son étude de l’électricité en utilisant une clé métallique attachée à un cerf-volant pendant un orage; ce qui n’est pas une activité sans danger selon les normes de santé et de sécurité d’aujourd’hui.

Il avait pour théorie que les nuages lors des orages avaient de l’électricité statique, et que la foudre était une décharge d’électricité statique. La foudre frapperait la clé et l’électrifierait, prouvant ainsi que la foudre et l’électricité sont des résultats du même phénomène. Son idée était bonne, que la foudre résulte d’électrons se déplaçant des nuages jusqu’à la terre, mais il lui manquait les concepts scientifiques qui lui auraient permis d’exprimer entièrement cette idée.

Ses rênes furent prises en main et le 19e siècle a vu des progrès rapides dans la science de l’électricité, l’électrotechnique et la technologie de production d’électricité.

Les pionniers de l’électricité comme Alexander Graham Bell, Nicolas Tesla, Werner von Siemens ont transformé l’électricité d’une curiosité scientifique en une partie essentielle de la vie. Ce faisant, certains de ces pionniers ont créé des empires industriels. Il y avait parmi eux Thomas Edison et George Westinghouse. Edison et Westinghouse étaient les principaux agents d’un des épisodes les plus intéressants de l’histoire de l’ingénierie : la guerre des courants. Nous reviendrons là-dessus.

L’électricité est une forme d’énergie qui consiste en une circulation d’électrons dans un matériau conducteur.

Les électrons sont des particules à charge négative qui entourent l’atome. Le noyau de l’atome contient des particules à charge positive appelés protons et des particule sans charge appelés neutrons. Normalement, un atome ne peut avoir autant d’électrons que de protons. Alors, lorsque la circulation d’électrons frappe un autre atome, il y a un électron de trop pour l’atome récepteur. Alors un électron est à nouveau envoyé à un autre atome. C’est ainsi que l’électricité circule.

Comment l’électricité est-elle produite?

L’électricité est produite par des machines qui sont conçues pour mettre en branle le courant et en maintenir la circulation. Cela se fait habituellement par, eh bien, des génératrices d’électricité. Il y a d’autres moyens de produire de l’électricité. Les panneaux solaires et les piles sont deux de ces moyens.

Une génératrice nécessite un mouvement rotatif, habituellement fourni par une turbine ou un moteur. Le mouvement rotatif est transféré au rotor de la génératrice. À l’intérieur de la génératrice, le rotor crée un champ magnétique. Lorsque le rotor tourne, le champ magnétique tourne aussi. Le champ magnétique excite les électrons dans les conducteurs en cuivre situés dans la partie statique de la génératrice, et c’est ce qui crée le courant électrique. On peut imaginer que le champ magnétique pousse les électrons dans le stator jusqu’à ce qu’ils se mettent en mouvement. La circulation de l’électricité est canalisée dans les conducteurs en cuivre qui sortent de la génératrice, dans les fils électriques, et hors de la centrale électrique.

D’où provient l’électricité?

Répondons à cette questions à l’envers.

Vous appuyez sur un interrupteur chez vous, et la lumière s’allume. On fait cela des dizaines de fois par jour sans réfléchir à ce qu’il se passe exactement, ou quelle est la sorte de système électrique qui rend cela possible.

Revenons un moment à la circulation de l’électricité. L’électricité entre chez vous au panneau électrique par une entrée de service. L’entrée de service est branchée aux câbles de faible tension des lignes électriques aériennes, lesquelles sont branchées à un transformateur installé sur un poteau. Les transformateurs montés sur poteau sont branchés à des lignes électriques aériennes moyennes, et à ce qu’on appelle un réseau de distribution qui relie les utilisateurs locaux d’électricité dans un certain secteur.

Les réseaux de distribution sont branchés au réseau de transport par l’entremise d’un poste. Le réseau de transport comporte des lignes électriques haute tension et très haute tension conçues pour pouvroir transporter de grandes quantité d’électricité sur de grandes distances. Ces lignes électriques mènent aux centrales électriques, où l’électricité est produite.

Pensez à l’électricité comme à un courant d’eau dans une conduite. Au début de la conduite, à des centaines de milles, la pression de l’eau est très forte. À mesure qu’elle se rapproche des quartiers et des maisons, la pression est réduite de manière à ce qu’on puisse mieux la gérer. C’est pour cela qu’à chaque étape, il y a des postes et des transformateurs qui réduisent la tension de l’électricité.

Qu’est-ce que l’électricité renouvelable?

L’électricité renouvelable, c’est simplement l’énergie produite par des sources d’énergie renouvelable. Les trois moyens de produire de l’électricité renouvelable les plus populaires sont le soleil, le vent et l’eau.

La demande d’électricité renouvelable augmente pour deux raisons principalement. La première, c’est l’accessibilité. Les panneaux solaires et les turbines éoliennes deviennent meilleures et de plus en plus abordables au fil du temps. La deuxième raison, c’est l’inquiétude relative à l’environnement. La tolérance envers les émissions liées aux centrales électriques à combustibles fossiles est à la baisse. Cela renforce la tendance au remplacement des centrales électriques à combustibles fossiles par des sources d’énergie renouvelables.

Qu’est-ce que sont l’électricité à CA et à CC?

Le courant alternatif (CA) et le courant continu (CC) sont deux manières différentes de faire circuler l’électricité dans un circuit.

Le CC circule à un taux constant et toujours dans le même sens. Le CA circule à un taux variable, et la direction de sa circulation change fréquemment.

Lorsqu’on dit que notre approvisionnement en électricité en Amérique du Nord est de 60 Hz, cela signifie que le sens du courant change 60 fois par seconde. On peut penser au CA comme au vilebrequin d’une voiture de course. Elle a plusieurs cylindres qui poussent le vilebrequin pour faire avancer la voiture, mais les cylindres ne le poussent pas tous en même temps. Ensemble, ils propulsent la voiture et ce déplacement donne l’impression d’un mouvement constant.

Maintenant, pensez au CC comme à une perceuse manuelle. La perceuse apporte un mouvement constant, une puissance constante, à la tâche qu’elle effectue.

Aux premiers jours de l’électrification, le CC et le CA étaient deux moyens valables de produire, transporter, distribuer et consommer l’électricité. Cela nous ramène à Edison et Westinghouse.

Edison imaginait un système électrique basé sur l’électricité à CC. Westinghouse soutenait l’élaboration d’un système de CA. Leur problème, c’était que les systèmes de CA et de CC s’excluaient mutuellement, alors il fallait que l’un d’eux l’emporte et que l’autre échoue. Il en a résulté une rivalité qui s’est inscrite dans l’histoire.

Le CA a fini par dominer parce que c’est le système le plus facile pour le transport et la distribution, des centrales électriques, en passant par les postes et jusqu’aux maisons et aux entreprises.

Il a existé encore des fragments du système électrique à CC d’Edison à New York jusqu’au 20 siècle, qui desservaient de vieux édifices, où les ascenseurs fonctionnaient au CC, ou le métro, dont les trains fonctionnaient également au CC. Le dernier client CC à Manhattan, un édifice sur la 40th Street, a été débranché en 2007.

L’intéressant, c’est que les lignes de transport à CC réapparaissent pour certaines applications. Par exemple, on les choisit communément pour les câbles sous-marins qui transportent l’électricité produite par des parcs éolien en mer jusqu’à la terre ferme. La raison que les lignes à CC peuvent se brancher au réseau à CA, c’est que maintenant, nous avons des appareils électroniques qui peuvent transformer l’électricité entre CC et CA en ne perdant que très peu d’énergie – ces appareils électroniques n’avaient pas été inventés au 19e siècle, alors Edison et Westinghouse n’avaient pas cette option.

CA, CC et l’électricité renouvelable

Curieusement, l’essor de l’électricité renouvelable provenant des sources solaires et éoliennes sont à l’origine d’un regain d’intérêt pour l’électricité à CC. Il y a plusieurs raisons pour cela.

La première, c’est que le CC tend à être un bon choix pour les câbles sous-marins qui transportent l’électricité produite par des parcs éolien en mer jusqu’à la terre ferme. On appelle les connexions à CC des lignes de CCHT, c’est-à-dire courant continu à haute tension.

Le fait que les panneaux photovoltaïque ne produisent que du CC est une autre de ces raisons.

Le résultat de l’augmentation de l’utilisation de systèmes à batterie de stockage d’énergie à l’échelle industrielle est la troisième raison, lesquels sont souvent construits en même temps que les panneaux photovoltaïques pour atténuer leur variabilité et, tout comme les panneaux solaires, ils ne produisent que du CC. Tous ces éléments de CC sont branchés au réseau électrique plus général, qui fonctionne au CA, en utilisant des électroniques de puissance pour transformer l’électricité entre CC et CA sans qu’il y ait beaucoup de perte.

Les électroniques de puissance n’avaient pas été inventés au 19e siècle, et malheureusement pour Edison et Westinghouse, cette option ne leur était pas disponible pour leur réconciliation.