courant électrique (suite)

Propriétés générales des courants alternatifs

Lorsque leur fréquence n’est pas trop élevée, inférieure à une centaine de kilohertz, les courants alternatifs sont dits « de basse fréquence », et leurs propriétés peuvent se déduire de celles du courant continu, en appliquant les lois de ce courant aux valeurs instantanées du courant alternatif. En particulier, on retrouve les trois types d’effets principaux : chimiques, électromagnétiques et calorifiques. Mais ces effets sont observés, en général, pendant une durée qui correspond à un grand nombre de périodes, et les lois qui les régissent peuvent être très différentes des lois relatives au courant continu. Lorsque la fréquence du courant est très élevée, il apparaît en outre un effet de rayonnement d’énergie sous forme d’ondes électromagnétiques.

Les effets chimiques du courant électrique, ou électrolyse, correspondent principalement à une oxydation à l’anode et à une réduction à la cathode d’un électrolyseur. En courant alternatif, chaque électrode est successivement anode et cathode, et les deux réactions se superposent. Lorsque la fréquence du courant atteint plusieurs centaines de hertz, les produits de l’électrolyse se recombinent au contact des électrodes, et il n’y a plus d’effet observable. L’électrolyseur ne se polarise pas et se conduit comme une résistance passive ; on peut ainsi mesurer la résistivité d’un électrolyte.

Lorsqu’un conducteur parcouru par un courant alternatif est placé dans un champ magnétique, il est soumis à une force variable, périodique et qui change de sens au cours d’une période. Si ce conducteur peut se déplacer ou se déformer, il effectue des oscillations forcées à la fréquence du courant. Lorsque ses oscillations sont peu amorties, leur amplitude dépend beaucoup de la fréquence du courant, et elle peut être très grande quand cette fréquence est égale à la fréquence de résonance mécanique. Si ses oscillations sont fortement amorties, leur amplitude dépend peu de la fréquence dans un domaine assez large ; ainsi, la bobine d’un haut-parleur, parcourue par un courant de basse fréquence, vibre à la fréquence de ce courant, entraînant une membrane qui transforme ces oscillations en vibrations sonores. Par contre, l’équipage mobile d’un ampèremètre, dont la période de résonance est de plusieurs secondes lorsqu’il est parcouru par un courant à 50 Hz, effectue des oscillations d’amplitude très petite, pratiquement invisibles.

Un électro-aimant, parcouru par un courant alternatif, crée en son voisinage un champ magnétique alternatif de même fréquence, mais un morceau de fer est attiré chaque fois que le courant passe, quel que soit son sens, c’est-à-dire deux fois par période. Il effectue donc des oscillations forcées à la fréquence double de celle du courant.

Cette propriété est utilisée dans un appareil appelé fréquencemètre à lames. Celui-ci est constitué par des lames vibrantes en acier dont les fréquences de résonance sont connues (elles valent par exemple 98, 99, 100, 101, 102 Hz), lames qui sont placées près de petits électro-aimants parcourus par le courant alternatif dont on veut déterminer la fréquence. Ces lames étant faiblement amorties, leur résonance est très aiguë : seule entre en vibration la lame dont la fréquence propre est égale au double de la fréquence du courant (fig. 3).

Le principal effet calorifique du courant électrique est l’effet Joule, qui se traduit par un dégagement de chaleur dans le conducteur, et donc son échauffement, quel que soit le sens du courant. Lorsqu’un conducteur est traversé par un courant alternatif, il y a production de chaleur à chaque alternance : une lampe à incandescence s’allume en courant alternatif comme en courant continu, mais l’apport de chaleur se fait périodiquement, à une fréquence double de celle du courant, et la température du filament subit des fluctuations autour d’une valeur moyenne, d’où fluctuation de la lumière émise ; avec le courant industriel à 50 Hz, ces fluctuations, de fréquence 100 Hz, sont imperceptibles pour l’œil.

Intensité efficace d’un courant alternatif

Ce dégagement de chaleur, produit dans un conducteur, permet de définir une caractéristique importante du courant alternatif : son intensité efficace. Par définition, l’intensité efficace d’un courant alternatif est égale à l’intensité du courant continu qui, passant dans le même conducteur pendant le même temps, y produirait le même dégagement de chaleur. Cette intensité efficace peut donc être mesurée au moyen d’un ampèremètre thermique gradué en courant continu, puisque son indication ne dépend que de la quantité de chaleur apparue dans un fil. Il faut remarquer que la définition précédente ne suppose rien quant à la forme du courant alternatif, forme qui peut être quelconque et pas nécessairement sinusoïdale. Il résulte de cette définition que la loi de Joule, qui régit le dégagement d’énergie sous forme de chaleur dans un conducteur, a la même expression en courant continu et en courant alternatif, à condition de considérer dans ce dernier cas l’intensité efficace. L’énergie W et la puissance P dégagées sous forme de chaleur par un courant alternatif d’intensité efficace I traversant une résistance R pendant le temps t sont données par les formules :
W = RI²t et P = RI².

Dans le cas, très important, d’un courant sinusoïdal, le calcul donne la relation suivante entre l’intensité efficace I et l’intensité maximale I_m :

Un voltmètre étant un ampèremètre sensible de forte résistance, on peut construire des voltmètres thermiques qui, gradués en courant continu, indiquent la tension efficace d’un courant alternatif. Dans le cas d’un courant sinusoïdal, il existe la même relation entre la tension efficace V et la tension maximale V_m :

Un générateur de courant alternatif possède une force électromotrice alternative dont la valeur maximale est E_m et la valeur efficace E, mesurable avec un voltmètre thermique de forte résistance. Dans le cas d’un générateur de courant sinusoïdal, la force électromotrice instantanée est de la forme e = E_m sin (ωt + φ), et sa valeur efficace est

Lorsqu’on indique les caractéristiques d’un courant alternatif, on en donne les valeurs efficaces. Ainsi, entre les bornes d’un secteur fournissant une tension sinusoïdale de 220 volts existe une tension maximale de 311 volts.