Comment on produit l’énergie électrique
AVEZ-VOUS déjà essayé de faire fonctionner un transistor avec du lait de noix de coco ? Cela vous paraît incroyable et pourtant c’est possible. Au cours d’une période de quarante-cinq jours, on a fait fonctionner un transistor de cette manière, pendant cinquante heures. C’est là une des nombreuses façons de produire de l’électricité, énergie si nécessaire à notre mode de vie moderne.
Quoique nous dépendions de l’électricité dans nos foyers, au travail, en voyage, lors d’une communication téléphonique à longue distance et même dans nos distractions, peu d’entre nous savent comment on la produit. Vous direz peut-être qu’elle provient d’une génératrice ou d’une dynamo, mais savez-vous pourquoi une génératrice produit de l’électricité ? Savez-vous ce qu’est le voltage et comment on peut l’augmenter ou le diminuer ? Connaissez-vous les différents moyens d’obtenir de l’énergie électrique ? Prenons le lait de noix de coco, par exemple. Pourquoi produit-il de l’électricité ? La réponse a ouvert une voie entièrement nouvelle pour l’obtention d’énergie électrique utilisable.
Le lait de noix de coco peut devenir une source d’énergie électrique quand il est introduit dans une cellule de combustible biochimique. À l’intérieur de la cellule, les bactéries décomposent le lait en acide formique. Durant le procédé, il se forme un courant électrique d’un débit de 150 watts par livre de lait de noix de coco quand la cellule de combustible fonctionne pendant 1 000 heures ou plus. Mais le lait de noix de coco n’est pas la seule substance qu’on peut employer dans ce genre de cellule. L’action des bactéries sur le sucre de canne, les fruits et les ignames peut aussi produire de l’électricité. En fait, on peut même se servir de déchets comme les eaux d’égout et la végétation en décomposition.
Un autre genre de cellule emploie l’hydrogène et l’oxygène. Quand on introduit les gaz dans la cellule, ils se combinent pour former de l’eau et, au cours du processus, il se produit de l’électricité à un haut degré de rendement. On peut remplacer l’hydrogène par d’autres gaz comme le propane, le butane et le gaz carbonique. Il y a quelque temps, au cours des vols spatiaux Gemini, on s’est servi avec succès de cellules de combustible employant l’hydrogène et l’oxygène. On pourrait exploiter ce procédé afin de produire de l’énergie électrique pour faire fonctionner les automobiles. On éliminerait ainsi les moteurs polluants que nous connaissons aujourd’hui.
On a fait de grands progrès dans l’usage de la lumière et de la chaleur pour produire de l’électricité. Par exemple, la cellule photoélectrique bien connue des photographes transforme l’énergie lumineuse en courant électrique qui fait mouvoir l’aiguille. Une substance produit de l’électricité quand elle est frappée par la lumière. Les panneaux solaires des satellites artificiels et des sondes spatiales ont la même action puisqu’ils convertissent directement la lumière solaire en électricité.
Dans l’Antarctique, on fait fonctionner les postes émetteurs, qui envoient les relevés de température, au moyen de l’électricité produite directement par la chaleur solaire. Soixante capsules de tellurure de plomb sont disposées autour de quatre pastilles de strontium 90 dans un récipient recouvert de métal. La substance radioactive fournit une chaleur de 427 degrés, que les capsules de tellurure convertissent directement en énergie électrique d’un débit de 10 watts. Le processus se poursuit aussi longtemps qu’un côté des capsules est plus chaud que l’autre. En recevant de la chaleur d’une source radioactive, qui peut durer de nombreuses années, les capsules produiront de l’énergie électrique continuellement pendant une longue période.
Découverte de la génératrice
En 1831, le physicien anglais Michael Faraday découvrit qu’il pouvait produire de l’électricité en manœuvrant une barre de métal aimanté à l’intérieur d’une bobine de fil de cuivre. Toutefois, il n’y avait production d’électricité que lorsque l’aimant était en mouvement. Sa découverte fut à l’origine de nos génératrices modernes, car c’était la première fois qu’on produisait de l’électricité de façon mécanique. Jusqu’alors, on en produisait par des moyens chimiques, à l’intérieur d’une pile.
La première pile est due à Alexandre Volta. En 1800, il a découvert qu’il se produisait de l’électricité quand on mettait en contact, en présence d’humidité, deux métaux différents comme le fer et le cuivre. Il construisit alors la première pile qu’on appelle pile de Volta. Elle était composée de disques de cuivre et de zinc, chaque couple métallique étant séparé du suivant par une rondelle de drap ou de carton imbibée d’eau acidulée. L’action chimique dans la pile produisit le premier courant électrique continu. Mais la découverte de Faraday, trente et un ans plus tard, révolutionna la production d’électricité.
Le courant électrique produit quand Faraday manœuvrait un barreau aimanté dans une bobine de fil de cuivre était dû à la force magnétique du barreau. Cette force magnétique existe quand les molécules d’un barreau de fer sont alignées au lieu d’être mêlées. Puisque chaque molécule exerce une attraction sur les autres molécules, les molécules ainsi alignées agissent à l’unisson et attirent les objets extérieurs au barreau. Dans une barre de fer ordinaire, cette attraction est nulle du fait que les molécules sont libres.
Chaque aimant possède des lignes de force qui forment un arc de cercle allant d’un pôle à l’autre. Ces lignes de force constituent le champ magnétique de l’aimant et elles sont le moyen par lequel Faraday produisit de l’électricité en manœuvrant l’aimant dans la bobine. Quand on manœuvre continuellement un aimant au milieu d’une bobine, les lignes de force invisibles du champ magnétique traversent les spires de la bobine et il se produit un courant électrique continu. C’est d’après ce principe, appelé induction électromagnétique, que fonctionnent nos génératrices d’électricité modernes.
Source d’énergie pour génératrices
Puisque, dans une génératrice, il se produit de l’électricité quand les lignes de force d’un aimant en mouvement traversent les spires de la bobine, il faut une énergie mécanique quelconque pour amorcer le mouvement et le maintenir. Dans les centrales électriques installées près des barrages ou des chutes d’eau, on emploie la force de l’eau. Celle-ci est dirigée par un conduit contre les pales d’une énorme turbine. La turbine en mouvement entraîne une immense génératrice dans la centrale.
Quand on ne dispose pas de l’énergie hydraulique, on emploie généralement la vapeur. En fait, environ les deux tiers de l’énergie électrique du monde sont produits par des turbines à vapeur, laquelle est fournie par des chaudières chauffées au charbon ou au fuel. Dans certains endroits, comme en Nouvelle-Zélande, on se sert de la vapeur souterraine, qui donne naissance aux geysers, comme d’une source d’énergie bon marché pour faire tourner les turbines. L’énergie nucléaire est un autre moyen permettant d’obtenir la vapeur nécessaire de plus en plus employée.
En France, il y a quelques années, on a construit un barrage spécial à l’embouchure de la Rance, afin d’exploiter les puissantes marées des côtes de Bretagne. À cet endroit, les marées ont une ampleur de près de dix mètres. Quand la mer commence à monter, on ferme les vingt-quatre tunnels de 48 mètres conduisant aux vingt-quatre turbines dans le barrage jusqu’à ce que le niveau de l’eau, devant celui-ci, c’est-à-dire du côté de la mer, ait monté de trois mètres. Ensuite, l’eau se précipite dans les tunnels et va faire tourner les turbines, qui ont chacune des pales réversibles de 5 mètres de large.
Quelques heures plus tard, quand la mer commence à descendre et que son niveau, du côté de la mer, est inférieur de trois mètres à celui de l’eau de l’autre côté du barrage, on fait fonctionner les turbines dans l’autre sens. Avec ses vingt-quatre turbines en action, la centrale a une puissance de 240 000 kilowatts, grâce à la force des marées. Une installation semblable a été construite en Union soviétique.
En quoi consiste une génératrice
Pour qu’une génératrice produise de l’électricité, ou l’aimant tourne à l’intérieur d’une bobine fixe dont les spires sont traversées par les lignes de force de l’aimant, ou il reste immobile, et c’est alors la bobine qui tourne.
Dans une génératrice produisant du courant alternatif, les bobines sont généralement fixées à la partie immobile de la machine, car il est alors plus facile de recueillir le courant qui, dans les grandes génératrices, peut être de l’ordre de 22 000 volts. Tandis que tourne l’électro-aimant sur l’arbre de la turbine, son champ magnétique traverse les spires des bobines et y produit de l’électricité. La partie mobile de la génératrice est appelée “rotor”, et la partie fixe “stator”.
Pendant que l’aimant tourne, le courant produit dans les bobines change de sens. Il va dans un sens quand le pôle Nord de l’aimant passe devant la bobine puis dans l’autre sens quand c’est le pôle Sud qui passe devant la bobine. Ce courant, dit “alternatif”, est celui qui est le plus couramment utilisé dans les foyers et les usines. Le courant continu est celui qui va toujours dans le même sens. C’est le type de courant qu’on emploie pour aimanter l’électro-aimant d’une génératrice parce que le champ magnétique doit toujours être dans le même sens. Dans une génératrice de courant alternatif, le courant continu est fourni par une petite génératrice auxiliaire appelée “excitatrice”.
Dans une génératrice qui produit du courant continu, l’aimant est immobile et la bobine se trouve sur l’arbre de la turbine. Quoiqu’un courant alternatif soit néanmoins produit dans la bobine quand elle passe devant les pôles de noms contraires de l’aimant, ce courant est maintenu dans un seul sens par un collecteur lorsqu’il quitte la génératrice. Il s’agit d’un cylindre constitué par deux demi-bagues métalliques fixées à l’arbre de la turbine et isolées l’une de l’autre. Chacune est reliée à la bobine par un fil.
Le courant électrique produit dans la bobine quitte la génératrice par une des demi-bagues du collecteur. Il traverse un des prismes de charbon appelés “balais” qui frottent le cylindre et, de là, va dans le circuit. Le courant de retour entre dans la génératrice par l’autre demi-bague. Tandis que l’arbre de la turbine tourne, chaque demi-bague du collecteur passe d’un balai à un autre lorsque le courant change de sens. Le mouvement des demi-bagues d’un balai à l’autre est réglé en fonction du changement de sens du courant. Ainsi, le courant sort toujours de la génératrice par le même balai, il se déplace donc toujours dans le même sens. C’est un courant continu.
Quand un alternateur produit un courant dont le voltage va de zéro à son maximum pour redescendre de nouveau à zéro, puis monte de nouveau à son maximum et redescend à zéro dans le sens opposé en un soixantième de seconde, on dit qu’il produit du courant à 60 périodes. Les fluctuations du courant sont dues au champ magnétique qui tourne. Le maximum est atteint quand un pôle de l’aimant se trouve en face de la bobine ; le point le plus bas est atteint quand c’est l’espace entre les deux pôles qui se trouve en face de la bobine. Lorsque c’est la bobine qui tourne au lieu de l’aimant, le minimum est atteint quand la bobine est parallèle aux lignes de force de l’aimant, lignes qu’à ce moment elle ne coupe pas.
Pour qu’un aimant produise un courant de 60 périodes, ses deux pôles doivent passer devant la bobine 60 fois par seconde. Pour cela, il faut que l’arbre de la turbine auquel il est fixé tourne à 3 600 tours à la minute. Mais si l’on emploie un moteur diesel qui fonctionne seulement à 600 tours minute pour faire tourner le rotor, il faut fixer plusieurs aimants à ce dernier pour obtenir le même résultat. Il passe en effet six fois plus de pôles magnétiques devant la bobine en une minute. Ces douze pôles produisent la même quantité d’énergie électrique que deux pôles se déplaçant six fois plus vite.
Volts, ampères et watts
Le voltage est la force originelle qui envoie un courant électrique dans un circuit. On peut le comparer à la pression de l’eau. Plus la pression de l’eau est élevée, plus grande est la force qui envoie l’eau dans un conduit. Le voltage agit de la même façon en ce qui concerne l’électricité. Un haut voltage permet à un courant électrique de surmonter plus facilement la résistance dans le circuit. Quand il faut envoyer de l’énergie électrique à une grande distance, un haut voltage est nécessaire pour lancer le courant le long des lignes de transmission. Dans certains cas, on emploie jusqu’à 460 000 volts. Le voltage est augmenté ou diminué par un transformateur.
Le principe d’un transformateur est le suivant : Si un courant alternatif passe à travers une bobine, un courant semblable se forme dans une autre bobine placée tout près. Si par exemple l’enroulement primaire, ou bobine, dans un transformateur, possède cent spires et qu’un enroulement secondaire en possède 1 000, le voltage sera automatiquement augmenté de dix fois. On ne peut pas obtenir cet effet avec un courant continu.
Quand on augmente le voltage, on n’augmente pas la quantité d’énergie électrique, mais plutôt la tension du courant. En réalité, le flux est réduit. L’unité de mesure de ce flux est appelée ampère et on peut la comparer à l’unité de mesure du flux de l’eau, c’est-à-dire autant de mètres cubes par minute. Ainsi, quand un transformateur augmente le voltage dix fois, il diminue l’ampérage, ou le flux, dix fois. Par conséquent, un courant de 50 ampères à 100 volts qui entre dans l’enroulement primaire d’un transformateur est changé en un courant de 5 ampères à 1 000 volts dans l’enroulement secondaire et peut être transporté sur un fil plus léger. C’est une des raisons pour lesquelles on emploie un haut voltage quand il faut transporter de l’énergie électrique à des endroits éloignés de la génératrice. Dans le procédé inverse, c’est-à-dire la diminution du voltage, l’ampérage est augmenté en proportion directe de cette diminution.
La quantité d’énergie électrique produite par une génératrice est évaluée en watts. Un watt représente l’énergie transportée par un courant d’un ampère et de la puissance d’un volt. Mille watts font un kilowatt ou 1,34 CV. Les grosses génératrices peuvent produire de cinq cent mille à un million de kilowatts.
Réseaux électriques
En France, une entreprise nationalisée l’Électricité de France, produit l’énergie électrique et la distribue vers les centres de consommation par un réseau interconnecté. Cette interconnexion permet de réaliser des économies, car l’ensemble du réseau peut aider les parties défaillantes ou faire appel de préférence à des centrales hydrauliques ou thermiques selon les époques de l’année.
Cette façon d’agir permet de faire un meilleur usage de l’équipement. Chaque partie du réseau connaît certaines heures de pointe pendant lesquelles on peut prélever de l’énergie dans d’autres parties où la demande est plus faible. L’équipement coûteux est maintenu en fonction et cela permet des économies. Ce système présente aussi des avantages en cas de panne dans une des centrales.
L’électricité est dangereuse
L’électricité étant une source d’énergie très courante, on peut facilement oublier qu’elle est dangereuse. Si vous êtes imprudent, elle peut vous tuer. Par exemple, ouvrir la radio ou même seulement la toucher quand on est dans son bain peut être mortel. L’eau est un bon conducteur de l’électricité, aussi le courant passe-t-il facilement à travers le corps, quoique la peau lui oppose ordinairement une certaine résistance. Il est donc bien de ne jamais toucher un appareil électrique quand on est dans un bain, sous la douche, sur un sol mouillé ou si on a les mains ou les pieds mouillés.
Les courants à haute tension surtout sont dangereux, car ils envoient de grandes quantités d’électricité dans le corps, malgré la résistance naturelle de ce dernier. Le risque existe même si l’ampérage est bas, car il ne faut pas beaucoup d’ampères pour vous tuer.
Certaines personnes font fonctionner leur appareil de télévision alors que le couvercle de protection est enlevé. C’est très imprudent, car un récepteur ordinaire fait monter le courant de la maison de 110 ou 220 volts à 6 000 volts. Il est très dangereux pour un non-initié de tripoter à l’intérieur d’un appareil pendant qu’il fonctionne, et il faut empêcher les enfants d’y mettre les doigts. Il ne faudrait d’ailleurs jamais enlever le couvercle de protection d’un poste de télévision. De même, il est imprudent de faire marcher un récepteur auquel il manque des boutons de contrôle. Celui qui toucherait l’endroit dénudé risquerait de recevoir une décharge électrique. C’est pourquoi il ne faut jamais employer un appareil électrique en mauvais état.
À mesure qu’on mettra au point des moyens pratiques et bon marché de produire de l’électricité, un plus grand nombre d’appareils électriques deviendront sans doute partie intégrante de notre vie quotidienne. L’électricité peut nous rendre bien des services, mais il faut la manier avec prudence et respect.