Le courant électrique
Courant
Prenons un fil de cuivre. Il est remplit d’un nombre incalculable d’atome de cuivre. Si un électron libre est dirigé vers ce fil de cuivre, l’électron de l’atome de cuivre le plus proche sera repoussé. Cet électron va alors repousser un autre atome, qui repoussera un autre électron, et ainsi de suite. Cet effet en chaîne crée un flux d’électrons, appelé un courant électrique.
Il est intéressant de savoir que les électrons n’avancent en réalité pas très vite, environ un centimètre par minute dans un fil de cuivre — pour comparer, un escargot va 6 fois plus vite. Par contre, quand le premier électron libre se déplace, il va venir pousser tous les autres et donc l’ensemble des électrons de la ligne vont bouger quasiment en même temps. La vitesse du signal électrique est ainsi proche de la vitesse de la lumière.
L’électricité — Qu’est-ce que c’est?
Conductivité
Certains atomes libèrent leurs électrons plus facilement que d’autres. Pour obtenir le meilleur flux d’électrons possible, on utilise des atomes qui ne s’accrochent pas étroitement à leurs électrons de valence.
La conductivité est la capacité plus ou moins grande d’un matériau à conduire le courant. Les éléments ayant une conductivité élevée — c’est à dire qui ont des électrons très mobiles — sont dits conducteurs. Les éléments ayant une conductivité faible, sont dits isolants.
- Matériaux conducteurs:
On utilise des matériaux conducteurs (notamment les métaux), comme le cuivre, l’argent et l’or, pour fabriquer des fils et autres composants qui permettent le courant électrique. - Matériaux isolants:
On utilise des matériaux isolants, tel que le verre, le caoutchouc, le plastique et l’air, pour, au contraire, empêcher que le courant passe.
Électricité statique
Un courant est de l’électricité en mouvement constant. Mais l’électricité peut exister sous une autre forme: l’électricité statique — statique comme “au repos”. L’électricité statique existe lorsque des charges opposées s’accumulent de part et d’autre d’un élément isolant.
Un exemple très simple pour créer de l’électricité statique: frotter un peigne contre de la laine, puis placer le peigne près d’un filet d’eau. L’eau est attirée par le peigne. La même observation peut être réalisée avec de nombreuses autres combinaisons de polymères, par exemple avec des peignes et des cheveux, avec des semelles de chaussures sur de la moquette, ou avec un écran de télé et de la poussière.
Le frottement entre des matériaux différents transfère des électrons. L’objet qui perd des électrons devient positivement chargé, tandis que l’objet qui gagne des électrons devient négativement chargé. Les deux objets deviennent donc attirés l’un vers l’autre — jusqu’à ce que les charges s’égalisent lors d’une décharge statique.
Décharge statique
Lorsque des charges opposées s’accumulent de plus en plus de part et d’autre d’un élément isolant, arrive un moment où l’attraction des charges devient si grande qu’elles peuvent traverser, même à travers le meilleur isolant (air, verre, plastique, caoutchouc, etc). On parle de décharge statique.
Lorsque des charges traversent l’air pour s’égaliser, elles entrent en collision avec des photons dans l’air, qui libèrent alors de l’énergie sous forme de lumière. Ce choc est visible: c’est une étincelle. Un des exemples le plus dramatique de ce phénomène est la foudre, lorsque des quantités massives de charges circulent dans l’air.
Le circuit électrique
Circuit
Pour pouvoir utiliser un courant électrique, il faut qu’il dure plus qu’une nanoseconde. Pour maintenir le courant, on crée un circuit, c’est à dire une boucle fermée sur laquelle est placé un appareil capable de générer de l’électricité — comme une pile ou un moteur.
Note: Pour qu’un circuit fonctionne, il faut utiliser un matériau conducteur de bout en bout, il ne peut pas y avoir d’isolant. Si un circuit de fil de cuivre est brisé, les charges ne pouvant circuler dans l’air, seront stoppées.
Pile
La première pile a été inventée en 1799 par Volta.
La pile était à la base un empilement de rondelles de cuivre et de zinc avec, entre chaque rondelle, des tissus imprégnés d’un liquide acide. L’acide a une action corrosive sur le métal: le zinc se dissout et libère des électrons, tandis que lorsque le cuivre se dissout, il libère des protons.
On a donc du côté zinc un surplus d’électrons (une charge négative) et du côté cuivre un surplus de protons (une charge positive). Les électrons, plus mobiles, sont attirés par les protons — on créé ainsi de l’électricité.
La pile fonctionne aujourd’hui encore avec le même principe, mais on a remplacé le zinc et le cuivre par d’autres métaux, pour que les piles durent plus longtemps. On a aussi séparé les métaux de part et d’autre de la pile: une borne positive et une borne négative. Le courant ne passe que lorsqu’on place un fil conducteur entre les deux bornes.
La borne négative de la pile est appelée anode.
La borne positive est appelée cathode.
Court-circuit
Les piles sont des sources d’énergie courantes, elles convertissent l’énergie chimique en énergie électrique. Lorsqu’on relie les deux bornes, les électrons, simultanément poussés par la borne négative et tirés par le borne positive, se déplacent d’atome en atome et créent un flux de charge — de l’électricité.
Plus la différence de charge est importante entre les deux bornes (on dit couramment qu’il y a une différence de potentiel), plus la force qui pousse/attire les électrons est importante et plus les électrons bougent rapidement. Lorsqu’ils se déplacent, les électrons génèrent de la chaleur. Si les électrons circulent trop rapidement dans un fil trop fin, le fil peut fondre ou prendre feu: c’est le court-circuit.
Lampe
La première lampe à incandescence est commercialisée en 1879 par Thomas Edisson.
Une ampoule, c’est d’abord un fil. En traversant le fil, les électrons vont rencontrer des obstacles: des atomes contre lesquels ils vont buter. C’est ce qu’on appelle la résistance du fil. Lorsqu’un électron “bute”, il produit de la chaleur.
Plus on réduit le diamètre du fil et moins les électrons ont de place, plus ils rencontrent de résistance et plus ils produisent de la chaleur — la résistance du fil augmente, le fil chauffe davantage.
À force de chauffer, le fil rougit, il devient incandescent. À l’air libre, il fonderait. Pour éviter ça, on le prive d’air: on place une cloche de verre au-dessus du fil, on remplace l’air par un gaz rare (généralement de l’argon). Le fil brille sans brûler.
Fusible
Un fusible est un dispositif électrique de sécurité, il est conçu pour supporter une quantité donnée de courant (notée sur le fusible), quantité au delà de laquelle le courant est coupé — un fusible contient un fil qui, au delà de la limite, fond et donc coupe le circuit. Cela permet d’éviter la surchauffe d’un circuit et que cela cause un incendie.
Lorsqu’un fusible saute, il faut le changer: il ne sert qu’une fois.
Disjoncteur
Un disjoncteur a le même rôle qu’un fusible mais fonctionne différemment. Il mesure la quantité de courant et, lorsque le courant dépasse le seuil, déclenche un levier qui coupe le courant. Lorsqu’un disjoncteur saute, il faut simplement rabaisser le levier pour que le courant se remette en marche: il est réutilisable à volonté.
Interrupteur
Un interrupteur est un dispositif permettant d’ouvrir ou de fermer le circuit, ce qui permet de laisser passer ou stopper le courant.
Alors que les électrons se déplacent très lentement, le champ électrique affecte presque instantanément l’ensemble du circuit — à la vitesse de la lumière. Les électrons tout le long du circuit (que ce soit au potentiel le plus faible, au potentiel le plus élevé, ou juste à côté de l’ampoule), sont influencés par le champ électrique. Lorsque le circuit s’ouvre ou se ferme, tous les électrons du circuit commencent à se déplacer en même temps.
Schématisation
Les schémas de circuits électriques sont réalisés en suivant certaines normes
- le circuit est tracé à la règle, en forme de rectangle
- chaque composant a un symbole normalisé
- les composants du circuit sont placés, de préférence, au milieu de chaque côté
- l’ordre des différents symboles correspond à l’ordre de branchement des composants
Exemple de circuit:
Schéma de ce circuit:
Sens conventionnel du courant
Les charges électriques se déplacent du pôle moins vers le pôle plus — ce sont les faits. Mais par convention, on attribue au sens du courant électrique le sens opposé à celui des électrons: du positif au négatif.
C’est lié au fait que notre compréhension des phénomènes électriques est venu progressivement dans l’histoire. On a d’abord décidé de fixer arbitrairement un pôle plus et un pôle moins avant de comprendre qu’il s’agissait d’un déplacement d’électrons, qui plus est dans l’autre sens. Pour éviter de réviser tous les calculs mathématiques qui ont été réalisés jusque là, on a décidé d’accepter ce paradoxe.
L’électricité moderne
Courant alternatif
Pour produire plus d’électricité, on peut mettre les piles en série, c’est à dire bout à bout, pour additionner leur tension. Au XIXème siècle, on remplissait des pièces entières de piles pour alimenter quelques machines. Mais depuis, on a trouvé un moyen plus efficace.
Outre les charges électriques, les électrons sont repoussés/attirés par les charges magnétiques. Si on présente le pôle moins d’un aimant à proximité d’un fil conducteur, les électrons à l’intérieur bougeront dans un sens, et si on présente le pôle plus, ils bougeront dans l’autre sens. Si on fait tourner un aimant, le champ magnétique varie très rapidement, les électrons n’arrêtent pas de bouger, dans un sens puis dans un autre, et le courant change donc en permanence de sens: c’est ce qu’on appelle du courant alternatif.
Plus l’aimant tourne vite, plus les électrons font des va-et-vient rapides, et plus la quantité d’électricité produite est grande. Mais le déplacement réel des électrons se limite a à peine un micromètre.
Avec cette découverte, on peut générer de grandes quantités d’électricité sans avoir à utiliser une tonne de piles. Aujourd’hui, plus de 95 % de l’énergie électrique est produite par des alternateurs, des machines électromécaniques qui fournissent du courant alternatif (de fréquence proportionnelle à la vitesse de rotation de la machine).
C’est pas sorcier - Électricité
Production du courant alternatif
Différents mécanismes ont été inventés pour faire tourner un aimant, et ainsi créer un courant alternatif.
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La vapeur:
La machine à vapeur utilise la vapeur. Celle-ci entraîne des pistons et des bielles, qui font tourner une roue. L’inconvénient, c’est qu’il faut régulièrement huiler la machine. -
La chaleur:
Dans une centrale électrique thermique, on produit de l’électricité grâce à la chaleur dégagée par la combustion du charbon, du gaz, ou du pétrole. -
La fission nucléaire:
Dans une centrale nucléaire, on se sert de la fission de l’uranium. -
L’eau:
Dans une centrale hydroélectrique, on utilise la force mécanique de l’eau pour faire tourner des sortes de cuillères qui actionnent l’alternateur. -
Le vent:
On peut également récupérer le vent grâce à des éoliennes — cela dit, il en faudrait des champs entiers pour alimenter une grande ville.
Lignes haute tension
Une fois produite, l’électricité est transportée dans des lignes à haute tension. Avant qu’elle arrive chez nous, la tension est progressivement baissée pour qu’on arrive à 220V.
Prise électrique
Le courant électrique arrive par un trou, et ressort par l’autre. Et ça change en permanence. C’est du courant alternatif.
Le bout de la prise qui dépasse, c’est la fiche de la prise de terre, reliée directement à la terre par un fil.
Ainsi, si on utilise un appareil défectueux (avec, par exemple un fil électrique qui touche à la carcasse de l’appareil), le courant électrique passera directement dans la terre et on ne risque pas de s’électrocuter.
Électronique
Un appareil électrique est un appareil qui utilise (ou produit) de l’énergie électrique. Il contient principalement des moteurs, des résistances, des ampoules et/ou des transformateurs. Exemples: Une cuisinière, un aspirateur, un lustre, un couteau électrique, un grille pain, une torche électrique…
Un appareil électronique est un appareil qui interprète des signaux électriques (sa fréquence). Il contient des éléments “logique” comme des diodes, des transistors, des circuits intégrés, des puces, CPU, etc. Exemples: Un ordinateur, une télévision, un téléphone portable, appareil photo numérique…