Salut et bienvenue sur le blog ELEC-13, cet article est un apperçu général sur l’électricité. Je souhaite qu’il vous sera utile pour se rappeler des bases avant d’appréhender des sujets plus détaillés.
Historique :
Le terme électricité provient du grec elektron signifiant « ambre jaune ». Les savants grecs savaient déjà que l’ambre jaune, après avoir été frotté avec un morceau de fourrure, attirait de petits objets légers.
Bien que certains phénomènes électriques et magnétiques soient connus depuis la haute antiquité (foudre, électricité statique, aimants naturels), ce n’est qu’à partir du XVIIIe siècle que prend véritablement forme l’étude systématique des phénomènes électriques.
Quelques dates :
– en 1733, François Du Fay met en évidence l’existence d’une électricité positive (ou « résineuse ») et d’une électricité négative (ou « vitreuse »).
– en 1752, Benjamin Franklin invente le paratonnerre;
– vers 1780, Luigi Galvani mène des expériences sur les grenouilles et croit identifier une forme « d’électricité animale »;
– en 1785, Charles de Coulomb étudie l’interaction des corps électriques ;
– en 1799, Alessandro Volta invente la pile électrique ;
– en 1822, Peter Barlow construit le premier « moteur électrique »;
– en 1868, Henry Wilde fabrique la première dynamo;
– en 1879, Thomas Edison invente l’ampoule à incandescence;
L’éléctron :
L’électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, ou particules légères. Il se caractérise par sa charge négative −e , où e est la charge élémentaire, qui vaut 1,602 176 535 × 10−19 J. Avec les neutrons, de charge nulle, et les protons, de charge +e , il constitue les atomes.
Protons et neutrons forment le noyau, de charge positive. Les électrons gravitent autour du noyau. L’atome, pris dans son ensemble, est électriquement neutre : le nombre d’électrons est égal au nombre de protons.
Cependant, les électrons situés sur les couches périphériques, les moins liés au noyau, peuvent être arrachés à l’atome. Il apparaît alors un déséquilibre de charges. L’atome est alors chargé positivement : il devient un ion positif, ou cation. De même, un atome peut capturer un électron : il devient un ion négatif, ou anion.
Les électrons des couches internes sont fortement liés au noyau, et ne participent ni aux liaisons moléculaires, ni au transport de courant. Les électrons périphériques situés sur les couches incomplètes, moins liés à leur atome, sont susceptibles d’en être arrachés.
Conducteurs et isolants :
En première approche, nous pouvons classer les corps en deux groupes : les corps conducteurs et les corps isolants:
– Les corps conducteurs: Ce sont les corps qui laissent passer l’électricité : la plupart des métaux (cuivre, or, aluminium, fer et leurs alliages), le carbone sous ses différentes formes (graphite, diamant, nanotubes), l’eau chargée en sels, le corps humain, le sol, etc
– Les corps isolants: Ce sont les corps qui s’opposent au passage des électrons : verre, porcelaine, bois sec, soie, papier, caoutchouc, plastique, etc.
Le courant électrique :
Un courant électrique est un déplacement d’ensemble de porteurs de charge électrique.
Ces déplacements de charge sont créés par l’action de la force électromagnétique : en présence d’un champ électrique dû à un déséquilibre de charges, les porteurs de charge se déplacent sous l’effet de la force subie.
En général, les porteurs de charge électrique sont les électrons. Dans le cas d’un circuit électrique, c’est un générateur qui crée le courant. Il possède une borne (+), qui présente un déficit d’électrons (cations) et une borne (-), qui possède un surplus d’électrons. Lorsque les deux bornes sont reliées par un matériau conducteur, les électrons se dirigent de la borne (-) vers la borne (+) : un courant électrique apparaît.
La vitesse de propagation du courant électrique est proche de celle de la lumière : 273 000 km·s−1 dans un fil de cuivre. Mais ceci n’est pas la vitesse des charges dans le circuit, qui se déplacent à quelques dixièmes de millimètres par seconde seulement.
L’information voyage plus vite que la matière. Imaginons les électrons comme les maillons d’une chaîne : lorsqu’on tire sur la chaîne, la traction se transmets presque instantanément à l’extrémité de la chaîne, c’est à dire bien plus vite (et bien plus loin) que le déplacement de chaque maillon.
Les effets du courant électrique :
– Dégagement de chaleur (effet Joule)
– Décomposition chimique (électrolyse)
– Action mécanique (moteur)
– Création de champs magnétiques (électro-aimants)
Notion du potentiel électrique :
Les objets peuvent posséder une propriété connue sous le nom de charge électrique. Placé dans un champ électrique, un tel objet chargé subit une force ; si l’objet est chargé positivement, la force s’exerce dans la direction du vecteur de champ électrique au point où elle se situe. La force est en direction opposée si la charge est négative. L’intensité de la force subie est donnée par la quantité de charge possédée par l’objet, multipliée par l’intensité du champ électrique en ce point. Le potentiel électrique (ou plus simplement potentiel) en un point d’un champ électrique correspond au travail à fournir pour transporter une charge positive unitaire depuis l’infini jusqu’à ce point (le potentiel électrique à l’infini étant par définition égal à zéro).
La force et le potentiel sont directement liés. Quand un objet se déplace dans la direction de la force qui le met en mouvement, son énergie potentielle diminue ; par exemple, l’énergie potentielle gravitationnelle d’un objet au sommet d’une tour est plus élevée qu’au sol. Durant la chute de l’objet, son énergie potentielle décroît et est transformée en mouvement, ou énergie cinétique.
C’est pourquoi on utilise habituellement pour illustrer la notion de potentiel électrique l’analogie avec le cours d’eau d’une rivière ; le potentiel de chaque point correspond à son altitude, alors que la différence d’altitude (dénivellation) correspond à la différence de potentiel.
La tension électrique :
La tension électrique est la circulation du champ électrique le long d’un circuit. Elle est souvent notée U, mais aussi parfois V.
On peut mesurer la tension à l’aide d’un voltmètre ou d’un oscilloscope branché en parallèle/dérivation sur le circuit.
La notion de tension électrique est souvent confondue avec celle de la « différence de potentiel électrique » (DDP) entre deux points d’un circuit électrique. Les deux notions sont équivalentes en régime stationnaire (indépendant du temps). Néanmoins, dans un cas général, en régime variable (par exemple : courant alternatif), la circulation du champ électrique n’étant plus conservative en raison du phénomène d’induction électromagnétique, la tension et la différence de potentiel ne sont alors plus synonymes. Dans ce cas général, la différence de potentiel perd sa signification physique et doit être remplacée par la notion de tension.
La puissaance électrique :
D’une manière générale en physique, la puissance correspond à une quantité d’énergie par unité de temps. Elle s’exprime en Watt : 1 W équivaut à 1 J·s−1, et 1 J équivaut à 1 W·s.
La puissance correspond donc à un débit d’énergie : deux systèmes de puissances différentes pourront fournir le même travail (la même énergie), mais pour une durée différente.
Dans le cas d’un dipôle électrique, la puissance s’écrit sous la forme suivante en régime continu : P = U · I
En régime variable, on l’écrira ainsi : p(t ) = u(t ) · i (t ) avec p en Watts, u en Volts et i en Ampères.
Conclusion :
Le domaine électrique est plus large que vous le croyez, et les notions présentées ci-dessus sont le minimum strict à savoir (avec d’autres qu’on abordera ultérieurement). Mais, au fure et à mesure qu’on avance, ce domaine vous sera familier et pourquoi pas devenir des spécialistes :). Finalement, vos remarques et vos suggestions dans les comentaires sont les bienvenues.
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