CA ou CC : lequel est le meilleur ?

On raconte que le groupe de rock AC/DC devait son nom à une étiquette apposée sur une vieille machine à coudre chez les frères Young. Cela signifiait sans doute que la machine pouvait fonctionner en courant alternatif ou continu. Aujourd'hui, tous les appareils électroniques dernier cri de nos foyers fonctionnent uniquement en courant continu, même les luminaires, depuis que les LED ont remplacé les ampoules à incandescence.

Mais attendez. L'électricité qui sort de votre prise murale est du courant alternatif . Cela signifie que chaque appareil doit convertir le courant alternatif en courant continu, tout en réduisant la tension à des niveaux bien plus bas que ceux des circuits numériques. Vous vous demandez peut-être : ne serait-il pas plus judicieux d'avoir des prises CC chez vous ?

C'est une excellente question, qui a d'ailleurs suscité un grand débat aux débuts de l'électrification. Thomas Edison était favorable aux circuits à courant continu, mais Nikola Tesla pensait que les circuits à courant alternatif étaient la voie à suivre. Tesla a clairement remporté ce débat. Voyons pourquoi !

L'électricité est un flux d'électrons à travers un matériau conducteur comme un fil métallique. On peut comparer le réseau électrique à un système de rivières et de ruisseaux parcourus par un courant. Dans une rivière, une différence d'altitude entraîne un déplacement de l'eau vers le bas ; dans une ligne électrique, la force motrice du courant est la tension , c'est-à-dire la différence d'énergie potentielle entre deux points d'un circuit.

Cette analogie fonctionne de toute façon pour le courant continu. Mais dans la plupart des réseaux, l'électricité est transmise en tension alternative. Cela signifie que les pôles négatif et positif s'inversent, ce qui provoque des mouvements saccadés incessants des électrons au lieu de circuler en flux continu.

Comme vous pouvez l'imaginer, cela rend le courant alternatif plus complexe à gérer. Edison avait donc raison : le courant continu est bien plus simple. En fait, n'importe qui peut fabriquer un circuit continu. Il suffit d'une pile et d'un fil pour relier les électrodes positive et négative. Vous pouvez même fabriquer votre propre pile. Il suffit de prendre deux métaux différents, comme le zinc et le cuivre, et de les insérer aux extrémités opposées d'une pomme de terre. L'acide contenu dans le jus de pomme de terre réagit différemment avec les deux métaux, créant une tension infime, suffisante pour allumer une petite LED. Le courant continu, c'est facile.

Par exemple, imaginons que vous souhaitiez créer un grille-pain à courant continu. Un grille-pain est un boîtier contenant un fil qui chauffe lorsqu'il est traversé par un courant. Supposons que ce grille-pain nécessite 1 000 watts de puissance. Ah, la puissance ? C'est le taux de conversion de l'énergie ( E ) en temps ( t ). Ainsi, si vous injectez 1 joule d'énergie dans un fil en 1 seconde, cela correspond à 1 watt de puissance ( P ) :

Pour l'énergie électrique en particulier, on peut calculer que comme le produit du courant électrique ( I ) et de la tension ( V ) :

Avec cela, nous pouvons dessiner un schéma de circuit de grille-pain simple :

Le fil de nichrome à l'intérieur du grille-pain n'est pas un bon conducteur. Il entrave la circulation du courant, ce qui provoque son échauffement. Il s'agit donc d'un dispositif permettant de convertir l'énergie électrique en énergie thermique. Dans le schéma ci-dessus, R représente la résistance, mesurée en ohms.

Supposons que notre alimentation CC fonctionne à 10 volts. Nous pouvons utiliser cette valeur pour déterminer la résistance nécessaire pour que nos tartines soient bien grillées. Il existe une relation entre le courant ( I ) et la tension ( V ) pour une résistance, appelée loi d'Ohm, qui donne l'expression suivante pour la puissance :

Avec 10 volts, il faut une résistance de 0,1 ohm (ce qui est minime) pour obtenir une puissance de 1 000 watts. Mais attention : ce n'est pas seulement l'élément chauffant à l'intérieur qui crée une résistance dans le circuit. Le cordon d'alimentation que vous branchez au mur possède également une résistance. Le fil de cuivre à l'intérieur du cordon est un bon conducteur, mais sa longueur augmente sa résistance.

Pour simplifier, imaginons que le cordon d'alimentation ait également une résistance de 0,1 ohm, ce qui signifie que la résistance totale du circuit est de 0,2 ohm. Cela signifie que le courant électrique sera plus faible et que le grille-pain ne consommera que 250 watts. Ce sera du pain grillé pas très grillé.

Pour résoudre ce problème, il faut augmenter la tension de la source d'alimentation. Montons-la à 100 volts. Dans ce cas, notre grille-pain pourrait être de 10 ohms ; le cordon d'alimentation de 0,1 ohm n'aura donc pas beaucoup d'importance. Ce n'est pas un problème pour un cordon d'alimentation de 90 cm chez vous. Mais qu'en est-il des lignes de transmission reliant la centrale électrique à votre ville ? Elles peuvent faire plus de 100 kilomètres de long.

Avec des fils beaucoup plus longs, la résistance est bien plus importante, ce qui signifie qu'ils chauffent et gaspillent de l'énergie. Là encore, la solution consiste à utiliser une source de tension plus élevée. Vous vous souvenez de P = IV ? Cela signifie qu'on peut fournir la même puissance avec une tension incroyablement élevée et un courant incroyablement faible.

Oui, on résout un problème et cela en crée un autre. Imaginons que la prise murale soit en 10 000 volts CC. Ah oui, mais vous voulez charger votre téléphone, et il a besoin de 5 volts CC. Comment faire ? Il existe une solution. Vous pourriez mettre une grosse résistance en série avec votre téléphone, ce qui convertirait l'énergie électrique en chaleur. Mais encore une fois, ce serait gaspiller de l'énergie.

Que se passe-t-il si l'on passe au courant alternatif ? Rappelons que les circuits alternatifs sont créés en inversant les pôles positif et négatif, de sorte que la tension alterne entre une valeur positive et une valeur négative (ce qui modifie le sens du flux d'électrons). Voici un graphique de la tension en fonction du temps pour les deux types de courant.

La source CC a une tension constante, d'où la ligne bleue plate ci-dessus. La source CA (rouge) a une tension oscillant entre +10 et –10 volts, et parfois elle est nulle. Dans cet exemple, on constate que la tension change huit fois en une demi-seconde. La tension CA d'un foyer varie, mais aux États-Unis, elle est en moyenne d'environ 120 volts (plus et moins) avec une fréquence de 60 hertz.

Si nous prenons notre grille-pain et le branchons sur une prise secteur 60 Hz, il fonctionnera parfaitement. Comme il fonctionne simplement en chauffant un fil, peu importe qu'il soit alimenté en courant continu ou alternatif : il chauffe dans les deux cas. Il en va de même pour les ampoules à incandescence. En fait, elles ne sont pas très différentes des grille-pain ; la seule différence est que le fin fil de tungstène d'une ampoule chauffe tellement (jusqu'à 2 300 °C) qu'il brille et produit de la lumière.

Avec le courant alternatif, le problème des longues lignes électriques reste le même. Il faut une tension élevée et un courant faible pour éviter les pertes d'énergie excessives dues aux fils conducteurs. Mais le courant alternatif présente un avantage certain : il est facile de transformer cette haute tension en basse tension. Cela est possible grâce à la nature oscillante du courant et à la loi de Faraday sur l'induction.

La loi de Faraday stipule que si l'on modifie l'intensité d'un champ magnétique à l'intérieur d'une boucle de fil, on produit un courant électrique. Dans l'extrait ci-dessous, vous pouvez voir que lorsque j'insère un aimant puissant dans une bobine de fil ou que je la retire, l'intensité du courant (mesurée en ampères) augmente brusquement.

Vous pouvez également le faire sans aimant en utilisant deux bobines de fil. Dans la vidéo ci-dessous, je connecte et déconnecte une petite pile bouton à une bobine principale. (Vous ne voyez pas les bobines, mais elles sont à l'intérieur du petit cadre gris au premier plan.)

La bobine secondaire n'est connectée à aucune source d'alimentation. Cependant, les variations de courant dans la bobine primaire créent un champ magnétique variable, ce qui induit un courant dans la bobine secondaire. Même avec cette minuscule batterie, vous pouvez constater un courant induit important. Regardez :

Mais ce n'est pas tout ! On peut modifier la tension induite dans la deuxième bobine en modifiant le rapport du nombre de boucles de chaque bobine. Si la bobine induite comporte 100 boucles et la bobine primaire 1 000, la tension induite sera de 100/1 000, soit 0,1 fois la tension d'entrée. En inversant ce rapport, on obtient une tension de sortie dix fois supérieure à la tension d'entrée.

On appelle ça un transformateur (car il transforme la tension). C'est un gros appareil. Voici à quoi ressemble un petit modèle à l'intérieur :

Voici l'un de ces blocs d'alimentation que tous vos appareils utilisent pour se brancher sur une prise murale. Les deux bobines sont côte à côte, et vous pouvez voir que celle de droite a plus de spires que celle de gauche. Ainsi, si vous avez une entrée de 120 volts CA, la sortie sera plus faible (dans ce cas, 12 volts). Un autre composant transforme cette tension CA plus basse en sortie CC ; c'est un redresseur de tension.

Soyons clairs : on ne peut pas utiliser un transformateur CA avec un circuit CC. Techniquement, il est possible de convertir une entrée CC en CA, puis de la transformer. Mais pourquoi faire tout ce travail supplémentaire quand on peut simplement alimenter les maisons en CA ? C’est exactement ce que nous faisons. Ces lignes de transport à haute tension géantes sont des circuits CA à très haute tension.

Voici comment ça marche. Vous avez une centrale électrique alimentée par des combustibles fossiles, de l'hydroélectricité ou autre. Vous devez en faire une sortie CA, puis augmenter la tension jusqu'à 100 000 volts, par exemple. Cela permet de l'envoyer sur de longues lignes électriques à très faible courant, limitant ainsi les pertes de puissance.

Lorsqu'une ligne électrique arrive en ville, elle passe par un poste électrique. Il s'agit en fait d'un autre transformateur géant qui réduit la tension alternative à une valeur plus raisonnable, par exemple 10 000 volts. Enfin, le courant traverse un autre transformateur pour atteindre le 240 volts alternatif qui alimente votre maison. Les gros appareils électroménagers comme les sèche-linge consomment la totalité de la tension de 240 V, et pour vos prises électriques, cette tension est divisée par deux pour atteindre 120 V.

Mais rien de tout cela ne serait possible avec du courant continu. Ce ne serait tout simplement pas pratique. Le courant alternatif est roi !