Voici le premier épisode de ma série de vidéos sur la société de l’information, et aujourd’hui, on va parler des fondamentaux techniques qui ont permis la révolution que sont l’informatique et Internet, à savoir l’électricité, l’électromagnétisme, et l’électronique.
Erratum
Suite à quelques retours sur cette vidéo, un petit erratum :
Lorsque je parle de TURBINE, je montre une turbine, qui est la partie d’une centrale à gaz, à charbon, ou nucléaire, chargée de transformer l’énergie de la vapeur d’eau sous pression par exemple, en rotation d’un axe. Ce n’est pas la même chose que l’ALTERNATEUR qui est justement actionné par la TURBINE, et chargé, lui, de produire le COURANT électrique.
Dans l’épisode 2, on parlera des moyens de communications de l’histoire, de la parole et l’écriture jusqu’au téléphone.
Et pour savoir qui je suis et pourquoi je fais cette série de vidéo, rendez-vous sur l’épisode 0 : l’introduction !
Crédits Photo
- Turbine par siemens
- Stator & Rotor par Zureks
- Antenne relais par Régulator974
- Composants électroniques par Kae
- Eolienne de pompage par Damien G
Épisode 1 : L’électricité, l’électromagnétisme, l’électronique
Bonjour à toutes et à tous, et bienvenue dans cette première vidéo de la série sur les techniques et outils utilisés dans la société de l’information.
Tout d’abord, si vous avez envie de savoir pourquoi je lance cette série de vidéos et qui je suis, je vous invite à vous reporter à la vidéo numéro 0, l’introduction.
Dans cette série, nous allons parler de nombreuses technologies. Elles feront toutes plus ou moins appel à l’électricité, à l’électromagnétisme et l’électronique.
Je vous propose donc, dans cet épisode, de commencer par découvrir ces trois concepts. En effet, si on veut comprendre comment fonctionne un ordinateur, il est utile de connaître les phénomènes physiques exploités par l’ingénierie de toutes ces machines.
C’est parti !
Il y a des ordinateurs partout. Mais au fait, c’est quoi un ordinateur ? C’est probablement l’invention humaine la plus complexe jamais réalisée. À ce niveau de complexité, comment peut-on encore comprendre ces machines ? Savez-vous ce qu’est en train de faire votre téléphone ? L’ordinateur de bord de votre voiture, il fait quoi ? Et d’ailleurs, il est où ? Et quand ils sont cassés, vous savez les réparer ?Une fois atteint ce niveau de complexité, si on ne fait pas le même effort en éducation et en ouverture qu’en recherche et développement, c’est facile de nous enlever les commandes. Le potentiel d’émancipation de ces technologies et aussi de fait un potentiel de contrôle de nos vies.
Bienvenue dans l’établi.Je vous propose de démonter quelques machines et dese poser quelques questions.
Commençons par l’électricité. Qu’est-ce que l’électricité ?
La définition la plus élémentaire est qu’il s’agit du déplacement d’électrons dans un câble quand il y a une différence de densité de ces électrons entre les deux extrémités du câble.
Un électron, c’est une particule de base de la matière. Toute la matière, tout ce qui existe physiquement, est fait d’atomes qui sont faits de neutrons, de protons et d’électrons.
L’électron est celui qui nous intéresse dans cet épisode, c’est un peu le personnage principal.
Donc, j’ai un câble. Il y a trop d’électrons à un bout et un manque d’électrons à l’autre bout.
Eh bien les électrons vont se déplacer le long du câble, d’un bout à l’autre, créant ce qu’on appelle un courant électrique.
Pour qu’il y ait courant électrique, il y a donc des électrons qui se promènent. Mais comme on l’a vu, il faut qu’il y ait une source d’électricité (il y a d’un côté un « manque » d’électrons et de l’autre côté un « trop-plein »). Et on connaît tous une source d’électricité simple et bien connue : la pile !
Une pile, c’est un objet qui a été créé par l’homme, qui est souvent un empilement de métaux, et qui crée chimiquement un manque d’électrons d’un côté, et un trop-plein d’électrons de l’autre.
Une pile ça a donc deux pôles : il y en a un qui a « trop » d’électrons, et un qui est en « manque » d’électrons.
On doit donc faire un circuit fermé, pour pouvoir faire circuler les électrons d’un pôle à l’autre.
Là où l’électricité est étonnante, c’est qu’étant donné qu’elle est dans la matière, elle est partout, elle a donc toujours existé. On l’a juste domestiquée il y a environ un siècle et demi.
Par exemple, quand nos nerfs activent un muscle de notre corps, c’est de l’électricité qui circule pour activer le muscle.
Quand on frotte un objet sur un pull et qu’il nous attire les cheveux, c’est de l’électricité statique qui circule dans l’air.
Quand on branche un appareil électrique, c’est bien sûr aussi de l’électricité qui circule.
Mais quand la foudre tombe quelque part, c’est aussi la même électricité.
On parle juste d’échelles de mesure très différentes : une électricité très faible dans nos nerfs, et totalement délirante dans un éclair d’orage.
Mais cela signifie que l’on peut mesurer l’électricité ? Eh bien oui !
Imaginons… Si on regarde une rivière à un endroit donné, on peut mesurer le débit d’eau qui passe à cet endroit.
Eh bien on peut faire de même avec l’électricité : on peut mesurer le « débit » électrique, et on appelle cela le courant. On le mesure en ampères.
On aurait presque pu mesurer ça en « nombre d’électrons par seconde qui passent à un endroit donné dans le câble » (c’est en gros ce que fait l’ampère, mais on parle plutôt en centaines de milliards d’électrons par seconde, vu l’échelle qu’on utilise, c’est quand même plus pratique…).
On mesure aussi autre chose en électricité : c’est la différence de potentiel entre deux endroits dans le circuit.
Je m’explique : c’est un peu comme le niveau d’une rivière entre deux points : plus haut, plus bas, la différence de hauteur d’eau se mesure en mètres. En électricité, on mesure cette différence en volts.
Entre les deux bornes d’une pile, il y a une différence de potentiel électrique (en gros à quel point il y a un manque ou trop d’électrons à chaque pôle) qui ressemble à la différence de hauteur d’un cours d’eau entre deux villages par exemple. Par exemple, cette pile fait 9 volts. La batterie d’une voiture, ça fait 12 volts, et dans un éclair, entre le haut de l’éclair et le bas du sol, on a entre 10 et 20 millions de volts !
Enfin, il y a un dernier concept en électricité qu’il est important de connaître : c’est la résistance. En effet, un câble (ou une lampe, ou tout autre appareil électrique), ça ne conduit jamais parfaitement le courant. Il s’oppose plus ou moins à son passage : on dit qu’il oppose une « résistance » au passage du courant.
Sur le dessin, on peut voir le parallèle avec un tuyau d’eau : si je presse un tuyau, il y a moins d’eau qui pourra passer dans ce tuyau (donc moins de courant), même si je mets une pression importante (la tension) au départ.
On remarque donc que ces trois grandeurs : courant, tension et résistance ont l’air intimement liées !
En effet, si on met plus de tensions entre les deux bornes d’une pile, on aura plus de courant, proportionnellement qui circulera. Mais si une résistance s’en mêle, le courant baissera, proportionnellement.
Il existe donc une règle en électricité qui dit que U, la tension = R, la résistance x I, le courant.
Le courant qui circule est proportionnel à la tension appliquée au circuit ; et le rapport de proportion, c’est la résistance de ce circuit.
On vient donc de découvrir ensemble les grands principes de l’électricité, à travers le courant, la tension et la résistance.
Maintenant, passons à un concept un peu plus ardu : l’électromagnétisme.
Vous savez tous à peu près comment fonctionne un aimant.
C’est en gros un matériau qui exerce une attraction sur le fer. Un aimant, ça a deux pôles, nommés nord et sud, et si on approche deux aimants, ils s’attirent par leurs pôles opposés et se repoussent par leurs pôles identiques. Ça, c’est le magnétisme. On a probablement tous joué avec étant enfants…
Eh bien en fait, le magnétisme et l’électricité sont intimement liés ; et ça, on joue plus rarement avec étant enfant.
Électricité et magnétisme sont à peu près autant liés que l’eau de la rivière et le poisson !
Il y a en effet une relation directe entre le magnétisme et l’électricité, et on peut le remarquer de manière assez simple : si j’approche et j’éloigne un aimant d’un fil électrique, un courant va naître dans ce fil. Et inversement, quand je fais passer un courant dans un fil, il se crée à proximité de ce fil un champ magnétique.
Soyons honnête, l’effet est très faible, au point que même dans la vidéo que vous avez pu voir, pour pouvoir mesurer le courant, j’ai fait une bobine de fil avec des dizaines de spires, plutôt que juste un fil, histoire que le fil passe plusieurs fois autour de l’aimant.
Et ça n’a l’air de rien, ce petit dessin, là comme ça, mais on va voir ensemble que les applications de ce principe sont partout, et leur importance pour l’humanité est cruciale ! (Du moins à notre époque.)
Tout d’abord, il faut savoir que l’immense majorité de l’électricité produite aujourd’hui par l’humanité est produite avec ce type de circuit : on fait tourner des aimants, avec des bobines de fil autour, et ces bobines reçoivent le courant créé par la rotation des aimants.
Ce système, ça s’appelle une dynamo (comme dans votre vélo, si vous en avez encore une !), et quand on a une dynamo un peu grosse (genre 8 mètres de haut…), on appelle ça une turbine.
Et les turbines, c’est utilisé pour produire l’électricité dans les centrales hydroélectriques, les centrales nucléaires, les centrales à charbon, les centrales à gaz, et bien évidemment dans les éoliennes. Vous imaginez l’importance du machin !
Ensuite, c’est ce même effet que l’on utilise dans de nombreuses applications électriques : si on applique un courant à des bobines disposées en rond autour d’aimants reliés à un axe, eh bien on attire et on repousse ces aimants, ce qui les fait tourner.
Eh bien on vient d’inventer l’inverse de la turbine, le moteur électrique : à partir d’un courant électrique, on peut créer du mouvement !
Pause bricolage…
Qu’est-ce qu’on démonte aujourd’hui ? Une dynamo !
La dynamo est ce petit bloc noir habituellement fixé à l’arrière de votre vélo pour vous permettre d’allumer les phares. Quand la roue tourne, elle entraîne le galet de la dynamo que vous voyez ici sur la gauche, qui permet d’allumer les phares avant et arrière.
On va la démonter.
Il y a deux petites vis cruciformes. Et de une, et de deux.
On enlève le clapet. Il y a le premier contact de la dynamo qui est fixé à cet endroit-là, qui vient de sauter. C’est donc un des deux contacts. Et l’autre contact, c’est cette patte en métal qui est fixée habituellement au cadre du vélo. On voit le petit fil de ce premier contact qui va sur le cadre, et le deuxième contact qui est ici.
On continue.
Ah ! Voilà !
On enlève la petite rondelle, on pousse, ça sort tout seul.
On a le bloc interne de la dynamo, avec l’aimant la partie rotative sur la droite, et le stator, avec sa bobine de cuivre sur la gauche.
On voit la bobine de cuivre de près, avec un petit fil ; et l’autre fil, c’est ce second contact.
Donc c’est cette partie qui produit du courant quand l’aimant qui est à l’intérieur tourne.
C’était la dynamo !
Fin de la pause…
Encore un autre usage : imaginons… Je prends une bobine à nouveau avec un barreau aimanté au milieu, et je relie ce barreau aimanté à une membrane souple.
Si je parle devant la membrane, le son de ma voix va la faire vibrer d’avant en arrière. L’aimant va donc bouger d’avant en arrière en fonction du son de ma voix et produire dans la bobine un courant qui va donc alterner, on dit « osciller », en fonction de ma voix. On vient d’inventer ce qui s’appelle un microphone.
Et je vous le donne en mille, de la même façon que tout à l’heure on a pu inverser la turbine pour en faire un moteur électrique, imaginez ce qu’il se passe si je fais passer un courant alternatif correspondant à ma voix dans ce microphone ! Eh bien la bobine va recevoir ce courant oscillant, l’aimant va vibrer, la paroi souple va vibrer à la même fréquence, et j’obtiens donc un haut-parleur.
Donc l’air de rien, le lien entre électricité et magnétisme est hyper important. Il est à l’origine de tout le courant que l’on produit, et de très nombreuses applications de l’électricité (à commencer par tout ce qui a un rapport au son, mais pas que !)
Et là je vais devoir vous annoncer un truc : on a vu la première moitié, certes intéressante, mais que la première moitié, de ce qu’est l’électromagnétisme.
Je vous laisser respirer 10 secondes -:)
On continue : ce que l’on a découvert à l’instant, c’est qu’un courant électrique qui change, ça crée un champ magnétique qui change, et ce en passant dans l’air.
Donc il y a bien quelque chose qui « change » dans l’air.
Eh bien, ce qui change dans l’air, c’est ce qu’on appelle le champ électromagnétique. En gros (parce que là on va simplifier beaucoup), les électrons dans le fil, en se déplaçant, vont émettre des photons dans l’air autour d’eux, dont la fréquence est celle de la variation du déplacement des électrons. Ces photons se propagent autour du fil, créant ce qu’on appelle un champ électromagnétique (de la même manière que la lumière se propage autour d’une l’ampoule, créant un champ lumineux).
Pour comprendre le concept de champ, l’ampoule ça marche bien !
(À ceci près que là, le champ électromagnétique peut plus ou moins traverser des objets opaques ; c’est pas le cas de la lumière.)
On continue : si je fais bouger dans un sens puis dans l’autre mon courant dans le fil, disons quelques millions de fois par seconde, on va donc voir un champ électromagnétique se propager autour du fil, à la même fréquence. (Cette fréquence, on la mesure en hertz, c’est le nombre d’oscillations par secondes, donc ici quelques millions de hertz, on appelle ça des mégahertz.)
Et devinez ce qui se passe si, un peu plus loin, je mets un autre fil et que je mesure le courant dans ce fil, induit par la variation du champ électromagnétique ambiant ! Qu’est-ce que je vais-je mesurer ? Eh bien je vais mesurer un courant oscillant à la même fréquence que celui qu’on a émis à l’autre bout.
Eh bien, Mesdames, Messieurs, nous venons d’inventer la radio !
Alors oui, c’est un peu plus compliqué que ça : l’antenne d’émission, elle doit avoir un courant assez fort pour pouvoir porter assez loin ; et le récepteur, de l’autre côté, il doit « filtrer » les fréquences afin de ne pas tout capter en vrac, mais ce que l’on vient de décrire c’est bel et bien le principe de la radio : un champ électromagnétique induit par un courant électrique dans un fil, qu’on appelle antenne émettrice, et de l’autre côté à l’inverse, une antenne réceptrice capte un champ électromagnétique et en fait à nouveau un courant.
Bon, là on vient de découvrir l’électricité, l’électromagnétisme, il nous reste l’électronique.
Qu’est-ce que l’électronique ?
Alors là c’est plus simple. Quand on a découvert peu à peu le comportement avec les électrons de certains composants chimiques, on a inventé ce qu’on a appelé les composants électroniques. Typiquement ce sont des petits boîtiers en plastique, métal ou autres matériaux qui comprennent des combinaisons chimiques spéciales documentées, connues, découvertes, qui réagissent d’une certaine manière avec les électrons, par exemple en résistant à leur passage (dans ce cas-là, on appelle ce composant une « résistance »), ou en stockant temporairement des électrons (on appelle alors ça un « condensateur »), etc. Il y a plein de composants différents.
Par exemple sur l’image, là, à gauche c’est un transistor, et à droite un condensateur.
Ces composants ont généralement deux ou plus de deux fils, qui sortent, qui permettent de les relier entre eux (on appelle ça aussi les pattes du composants, comme les pattes d’un lapin). Ensuite, quand on met ces composants ensemble, dans des circuits plus ou moins complexes, et bien ça donne tous les équipements électroniques que l’on utilise dans notre quotidien : téléphone, casque, ampli, écran, pilotage du moteur de votre voiture, etc.
L’électronique, c’est l’ingénierie qui consiste à concevoir, à construire, à monter, à inventer ces circuits sur base de composants ayant des propriétés électriques connues.
L’électronique, c’est l’ensemble des techniques et des outils qui nous ont permis de domestiquer l’électricité.
Voilà, on a donc découvert ensemble ces trois domaines bien particuliers et intimement liés que sont l’électricité, l’électromagnétisme et l’électronique.
Dans le prochain épisode on découvrira comment, justement, l’électricité, l’électromagnétisme et l’électronique ont permis de faire des progrès significatifs dans le transport de l’information et la communication entre les humains.
Ces vidéos sont avant tout publiées sur le site etabli.tv, sur des systèmes de publication sur Internet décentralisés et des logiciels libres (entre autres PeerTube et Mastodon). Si ce sujet vous intéresse, rendez-vous sur le site etabli.tv pour en savoir plus.
D’ici au prochain épisode, restons curieux ! Et à très bientôt !
