1. Le réseau électrique : de la centrale à la boutique
Les vitrines de la boutique s'allument grâce à un courant qui a parcouru des dizaines, parfois des centaines de kilomètres. Le réseau est organisé en étages de tension :
- Production : centrales (nucléaire, hydraulique, éolien, solaire) produisant en moyenne tension (~20 kV).
- Transport : lignes haute et très haute tension (63 kV à 400 kV) sur pylônes, pour traverser le pays.
- Répartition : postes de transformation qui abaissent à 20 kV (moyenne tension).
- Distribution : transformateur de quartier (cabine) qui abaisse à 230 V / 400 V basse tension, puis câbles jusqu'au compteur et au tableau électrique du magasin.
Transformateur : appareil statique qui modifie la valeur efficace d'une tension alternative : élévateur s'il augmente la tension, abaisseur s'il la diminue. Il est constitué de deux enroulements (bobines) autour d'un même circuit magnétique.
Rapport de transformation : m = U2 / U1 = N2 / N1
- U1, U2 : tensions efficaces au primaire (entrée) et au secondaire (sortie), en V
- N1, N2 : nombres de spires des enroulements
m > 1 : élévateur ; m < 1 : abaisseur. Exemple : transformateur de quartier 20 000 V → 400 V : m = 400 / 20 000 = 0,02 (abaisseur).
2. Les pertes en ligne : l'effet Joule
Les câbles des lignes électriques possèdent une résistance R : traversés par un courant, ils chauffent. C'est l'effet Joule, responsable des pertes en ligne : une partie de l'énergie transportée est perdue en chaleur.
PJ = R × I²
- PJ : puissance dissipée par effet Joule en watt (W)
- R : résistance de la ligne en ohm (Ω)
- I : intensité efficace du courant en ampère (A)
Point crucial : la puissance perdue dépend du carré de l'intensité. Si l'on divise I par 10, les pertes sont divisées par 100 !
Exemple résolu — Pourquoi la haute tension ? On veut transporter P = 46 kW (≈ consommation d'un petit centre commercial) sur une ligne de résistance R = 0,10 Ω.
À 230 V : I = P / U = 46 000 / 230 = 200 A. Pertes : PJ = R × I² = 0,10 × 200² = 0,10 × 40 000 = 4 000 W, soit près de 9 % de la puissance transportée, perdus en chaleur !
À 20 000 V : I = 46 000 / 20 000 = 2,3 A. Pertes : PJ = 0,10 × 2,3² = 0,10 × 5,29 = 0,53 W : pertes négligeables.
Conclusion : transporter sous haute tension (donc faible intensité à puissance égale) réduit considérablement les pertes par effet Joule. C'est le rôle des transformateurs : élévateurs à la sortie des centrales, abaisseurs près des utilisateurs.
3. Le transformateur : élévateur ou abaisseur
Mettre en évidence le rôle d'un transformateur (protocole) :
- 1. Réaliser un transformateur démontable : deux bobines de nombres de spires différents sur un noyau de fer fermé.
- 2. Alimenter le primaire avec une tension alternative basse tension (ex. 6 V) et mesurer U1 au voltmètre AC.
- 3. Mesurer la tension secondaire U2 (circuit ouvert, puis avec une lampe).
- 4. Comparer U2 et U1 : si N2 > N1, la tension augmente (élévateur) ; si N2 < N1, elle diminue (abaisseur).
- 5. Vérifier le rapport m = U2/U1 ≈ N2/N1. Constater qu'en continu, le transformateur ne fonctionne pas : il exige une tension alternative.
Exemple — dans le magasin : les spots de vitrine basse tension 12 V sont alimentés par un transformateur abaisseur (ou une alimentation à découpage) : U1 = 230 V → U2 = 12 V, m ≈ 0,052. Inversement, à la sortie d'une centrale, un transformateur élévateur porte la tension à 225 kV ou 400 kV pour le transport.
4. Sécurité de l'installation du magasin
Dispositifs de protection :
- Disjoncteur divisionnaire / fusible : coupe le circuit en cas de surcharge ou de court-circuit (calibre en A, adapté à la section des fils : 16 A pour des prises, 10 A pour l'éclairage).
- Disjoncteur différentiel 30 mA : détecte les fuites de courant vers la terre et protège les personnes (indispensable en zone publique et humide).
- Mise à la terre : relie les carcasses métalliques (présentoirs, structures de vitrine) à la terre pour évacuer les courants de défaut.
- Multiprises : puissance maximale limitée (≈ 3 500 W) : ne pas y additionner spots, enseigne lumineuse, chauffage d'appoint.
En boutique, les interventions sur l'installation électrique sont réservées à du personnel habilité ; couper l'alimentation et vérifier l'absence de tension avant toute opération.
Mesures et incertitudes : lors de la mesure des tensions U1 et U2 d'un transformateur, utiliser le bon calibre, répéter la mesure et présenter le rapport m avec 2 ou 3 chiffres significatifs cohérents avec la précision des voltmètres.