vendredi 22 janvier 2010

C'est quoi la masse électrique ?


J'étais en train de rédiger un article sur le "bruit de masse" l'autre jour entre le fromage et le dessert, quand je me suis dit : "Mais au fait c'est quoi la masse ?". Ca paraît être un acquis, mais l'expliquer de façon simple, accroche toi mon coco !
En électricité, on en entend souvent parler, et elle n'a rien à voir avec la masse d'un objet (celle qui permet de calculer le poids).

La définition

Voici une définition classique, que je vais expliciter : la masse, c'est un point de référence du potentiel électrique (wiki: Masse_(électricité)). Woaw !

Qu'est-ce que ça veut dire potentiel électrique ? Eh bien, dans les sciences, on utilise des échelles de mesure pour savoir de quoi on parle. On mesure par exemple la température en degrés Celsius pour savoir s'il fait plus ou moins chaud, la vitesse en km/h, les distances en mètres (m)... En électricité, un potentiel permet de définir une sorte d'échelle de l'état électrique : plus ou moins "chargé". Cette échelle est exprimée en Volt (du nom de l'inventeur de la pile électrique Volta). La référence correspond le plus souvent au 0. Ainsi un potentiel de référence électrique, autrement dit la masse, correspond le plus souvent à 0 Volt (mais pas toujours, j'y reviendrai plus tard).

A quoi sert la masse ?

Dans un circuit électrique (un chemin si vous préférez), par elle passe la quantité d'électricité indésirable.
Prenons deux exemples :
  • dans les fils d'un montage hifi, elle permet de filtrer certains "bruits" dans le signal audio (ou son si vous préférez)
  • dans le cas d'appareils électroménagers, elle nous protège nous, les consommateurs, de défauts d'isolement
Je reviens sur le cas des appareils électroménagers. Imaginons une machine à laver. Elle est branchée au réseau électrique, et donc alimentée par du 220V (ça fait donc 220V de plus que la masse si vous avez suivi !). Si dans cette grosse boîte pleine de fils, l'un d'entre eux, connecté à la phase (celui que vous envoie du 220V dans les dents) vient à toucher la carcasse, alors si tout se passe bien, le disjoncteur se déclenche (les plombs sautent). Pourquoi ?
Parce que toute carcasse d'appareil électroménager est reliée à la masse (c'est d'ailleurs symbolisé par le dessin à gauche, que vous trouverez quelque part sur votre appareil électrique). Et évidemment si on relie un point qui est chargé à 220V et l'autre à 0V, ça fait une belle décharge, et donc les plombs ont de quoi sauter.

Si la masse n'était pas là, c'est votre corps qui ferait office de fil relié à la Terre, car votre corps conduit l'électricité. L'électricité, cette flemmarde, cherche toujours à aller vers un état plus peinard, et elle se "déchargerait" donc à travers vous pour aller vers le 0. Vous le sentiriez passer ! Et votre coupe de cheveux aussi s'en ressentirait :)







Où trouve-t-on la masse dans la vie de tous les jours ?

Facile ! Un autre nom de la masse est... la Terre ! Eh oui, la Terre est au potentiel 0. Evidemment, car si la elle avait un potentiel non nul, on aurait une énergie gratuite et illimitée à portée de main, il suffirait par exemple de brancher son chargeur de téléphone dans le sol, pas dans une prise électrique (je schématise bien sûr !).

Justement, puisque je parle de prise électrique, regardez celles qui se trouvent autour de vous :

Il y a, normalement, 2 trous et une fiche. La masse est reliée à cette fiche qui dépasse. Le courant qui alimente les appareils électriques, lui, passe par les trous, donc on ne met pas ses doigts dedans !! On peut par contre toucher sans danger la fiche de masse.


Enfin pour les bricoleurs, ceux qui relient les fils dans les prises électriques par exemple, sachez qu'un code de couleur normalisé permet de reconnaître le fil de masse : il est jaune et vert.

Enfin, sur le papier, il existe deux symboles utilisés par les gens qui dessinent les schémas électriques. Pourquoi différencie-t-on la Terre et la masse ? Eh bien la Terre est au potentiel de 0V. Si je prends la Terre comme référence, alors par définition c'est une masse. Mais si mon potentiel de référence n'est pas 0V, mais 10V (par exemple au pif !), la masse de mon circuit est à 10V, et dans ce contexte précis, la Terre n'est plus équivalente à la masse. Bon, en vrai, les deux sont très souvent équivalents ! Retenez donc que c'est pareil, pour simplifier ;)


Ça y est, la masse électrique n'a plus de secrets pour vous ?

jeudi 21 janvier 2010

Tonton, pourquoi les roues des voitures tournent parfois à l'envers ?

Pas bête ta question mon poulet ! C'est en effet perturbant : comment une voiture peut-elle avancer si ses roues tournent à l'envers ?

Il faut regarder le phénomène de plus près. En effet, si tu regardes bien la voiture de ton père à gauche, lorsqu'elle démarre, ses roues tournent dans le bon sens, mais au fur et à mesure que la voiture accélère, ses roues ont l'air de ralentir, puis de s'arrêter, puis de partir dans l'autre sens. Pourquoi ?


Il s'agit d'un phénomène optique très simple. Mais je vais d'abord poser quelques bases.

Le système "œil+cerveau" humain : une mécanique qui a ses limites

L'œil humain associé au cerveau est un appareil de mesure : il capture des images du monde qui nous entoure. Comme tout appareil de mesure, il a ses limites techniques. De la même façon qu'un appareil photo peut prendre un nombre limité de photos en une seule seconde, notre système "œil + cerveau" ne peut capturer/restituer qu'un nombre limité d'images par seconde. On appelle cela la fréquence de rafraîchissement de l'image, et comme toute fréquence elle s'exprime en Hz (Hertz, ou en "par seconde"). Il est communément admis que la fréquence de rafraîchissement de ce système est de l'ordre de 12 images/seconde, ou 12Hz. Ça veut dire qu'en une seconde, tu peux voir séparément 12 images différentes et successives. Au delà ça va trop vite pour voir toutes les images dans une seconde. Tu me suis ? Bon, on va prendre un exemple maintenant.

Rien de tel qu'un bon exemple

Prenons une roue de voiture. Pour simplifier on la représente par un disque noir. On peint une bande blanche entre son centre et l'exterieur (son pneu quoi !). On appelle ça un rayon (une ligne droite entre le centre d'un disque et le bord de ce dernier). Regarde comment je dessine bien !

Imaginons maintenant que cette roue soit sur la voiture que tu regardes. La voiture est à l'arrêt. La bande blanche ne bouge pas ? Oui, c'était pour voir si tu suivais toujours ;)

La voiture démarre, elle roule de gauche à droite, et la roue se met à tourner. La bande blanche tourne également... logique ! Voilà ce que tu vas voir au fur et à mesure que la voiture va avancer :

J'ai mis les 12 images successives que ton oeil va capturer en une seconde. Bien évidemment, j'ai simplifié en parlant de 12 images par seconde, car en réalité l'oeil humain est un appareil beaucoup plus compliqué, et en vrai tu aurais l'impression que le rayon tourne de façon "fluide" alors qu'ici c'est saccadé. Mais ça mériterait un autre article, je t'en parlerai peut être plus tard ! Tu pourras regarder en annexe les liens que j'ai mis pour aller plus loin.

Maintenant que tu as saisi le principe des images qui se succèdent, imagine que la voiture accélère. Sur mon dernier dessin, la roue a fait à peine un tour en une seconde, puisque mon rayon a fait le tour de la roue au bout de la 12e image que ton oeil a vue. Mais si la voiture roule plus vite, la roue tourne plus vite, n'est-ce pas ?

En fait si la voiture roule 2 fois plus vite que dans le dessin précédent, au lieu de voir les 12 images ci-dessus, tu verras un dessin sur 2 lors des 6 premieres (en orange) :

Si la voiture roule encore 2 fois plus vite (4 fois plus vite qu'au départ), tu verras 1 dessin sur 2 par rapport aux images au dessus, 1 dessin sur 4 par rapport aux images du début (en orange) :

Finalement, lorsque la vitesse augmente, tu vois le rayon blanc de plus en plus "tard", tu comprends ?

Eh bien, à partir d'une certaine vitesse, la roue va tourner si vite qu'entre deux images détectées par ton oeil, elle aura fait presque un tour :
et du coup tu auras l'impression que la roue tourne à l'envers !

Bien entendu tout ceci se fait progressivement, car la vitesse de la voiture augmente de façon continue (sa vitesse ne double pas instantanément, elle augmente au fur et à mesure). Tu verras donc le rayon blanc accélérer puis ralentir, puis repartir dans le sens inverse, et si la voiture accélère encore alors à nouveau le rayon va repartir progressivement dans le bon sens, etc. Pareil quand la voiture ralentira évidemment. CQFD !

Pour aller plus loin

C'est quoi une fréquence en physique ?
http://fr.wikipedia.org/wiki/Frequence

L'oeil humain et le cinéma. On y parle du seuil de scintillement (40 images/seconde), au delà duquel on a une impression de fluidité (le système "oeil + cerveau" est berné):
Le cinéma, la grande illusion

L'effet stroboscopique :
http://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_stroboscopique