Le courant électrique
Nous nous proposons de décrire ce qu’est le courant électrique. Sachant que la réalité est complexe, nous la simplifions pour qu’elle soit compréhensible.
L’atome de cuivre
L’atome de cuivre est constitué de 29 protons chargés positivement logés dans le noyau. Il y a aussi un certain nombre de neutrons qu’on laissera de côté.
Autour du noyau gravitent 29 électrons chargés négativement .
Ainsi l’atome est électriquement neutre.
Les 29 électrons sont répartis sur plusieurs couches.
Ceux qui sont près du noyau sont attirés par les protons positifs et ont des difficultés à sortir de leur orbite.
A mesure qu’on s’éloigne du noyau la force d’attraction des protons s’amenuise.
Les électrons qui sont à la périphérie pourrons plus facilement quitter leur orbite.
Particulièrement le petit électron, tout seul sur sa couche. On l’appelle électron libre.
Il suffit d’une petite perturbation pour qu’il ait envie de filer à l’anglaise.
Que se passe-t-il dans un fil de cuivre ?
Que se passe-t-il pour l’atome A ?
A cause du générateur, cet endroit est chargé positivement. Le petit électron libre est davantage attiré par la borne + que par les protons du noyau de son atome. Il va s’échapper de son atome et se déplacer dans le circuit
Que se passe-t-il pour l’atome B ?
l’atome A du fait de l’abscence de sont électron qui a fuit dans le circuit est chargé positivement. Il attire à lui l’électron libre de l’atome B.
B va perdre son électron libre qui va “sauter” sur l’atome A .
Que se passe-t-il pour l’atome C ?
L’atome B est positif, il attire l’électron libre de l’atome C qui va venir sur l’atome B.
Et ainsi de suite jusqu’à l’atome F.
Que se passe-t-il pour l’atome F ?
Son électron libre est à la fois attiré par l’atome E qui est devenu positif et repoussé par les électrons qui arrivent à cet endroit dans le circuit.
L’électron
C’est un petit corpuscule que l’on peut comparer à une petite bille minuscule. C’est donc une particule. Mais en même temps c’est une onde, Là nous abordons la physique quantique.
Nous le considèrerons dans ce chapitre que sous son aspect corpusculaire.
Sa taille :
Son rayon est inférieur à 10-22 m
Sa masse :
9,109 x 10-31 kg
Sa charge électrique :
-1,602 x 10-19 C (coulombs)
Sa charge est négative :
Il est attiré par des charges positives ( protons par exemple)
Il est repoussé par des charges négatives.
Sa vitesse :
Il peut approcher la vitesse c de la lumière sans jamais l’atteindre.
Dans un tube fluorescent 15 km.s-1..
Il intervient dans :
le courant électrique dont il est à l’origine par sont déplacement rectiligne dans le courant continue, par sa vibration de 50 allers et retours en une seconde dans le courant alternatif.
Dans le courant alternatif, il ne change pas de place, il fait des allers et retours rapides et courts.
La construction des molécules par la mise en commun d’électrons de deux atomes.
L’ionisation des atomes qui perdent ou gagnent des électron.
On l’utilise dans le microscope électronique.
Quantité d’électricité et Intensité
La charge d’un électron est
q=-1,602 x 10-19 C (Coulombs)
Dans cette expérience de pensée, les chiffres n’ont aucun rapport avec la réalité. C’est simplement pour comprendre.
Je me place sur la flèche rouge pour compter le nombre d’électrons qui passent devant moi.
A l’instant t=0 s aucun électron n’est passé.
A l’instant t= 20 s j’ai pu compter 10 électrons qui sont passés devant moi.
Ainsi la quantité d’électricité débitée devant moi après 20 s est-elle :
Q= 10 x 1,602 x 10-19 C
En 1 s cette quantité d’électricité sera 20 fois moins.
On appelle intensité la quantité d’électricité transportée par le courant en 1 seconde.
L’intensité d’un courant électrique est la quantité d’électricité transportée par ce courant en 1 seconde.
L’unité d’intensité est l’Ampère noté A
L’unité de quantité d’électricité est le Coulomb noté C
L’unité de Temps est la seconde notée s.
Nous en déduisons la quantité d’électricité en fonction de l’intensité.
Potentiel, différence de potentiel et tension.
Ce sont des notions très délicates à expliquer à notre niveau. Nous allons néammoins essayer avec les connaissances que nous avons, sachant que les exemples numériques correspondent de très loin à la réalité.
Dans ce morceau de fil de cuivre il y a des des électrons. Ce fil n’est branché à rien, à aucune pile, à aucun générateur de courant. Les électrons constituant les atomes de cuivre sont immobiles. Rien ne les pousse, rien ne les attire. “Le courant ne passe pas”.
Ce morceau de fil est relié à deux plaques. L’une contient des charges électriques négatives en A. Ces charges pauvent être des ions, des électrons. L’autre, en Bne contient aucune charge.
La plaque A contient 14 charges négatives. On peut dire que le potentiel en A est 14.Pour l’instant nous ne mettrons pas d’unité.
La plaque B ne contient pas de charge. Son potentiel est 0.
La différence des potentiels entre la plaque B et la plaque A est 0-(-14)=14.
la plaque A avec ses 14 charges négatives va pousser les électons négatifs qui vont circuler dans le fil jusqu’à la plaque B.
Toujours le même morceau de fil.
La plaque Apossède toujours 14 charges négatives. Son potentiel est -14.
Par contre la plaque B contient 7 charges positives. Son potentiel est +7.
La différence de potentiel entre les plaques A et B sera +7-(-14)=21.
Ce résultat traduit le fait que les électrons vont traverser le fil avec une intensité plus importante que précédemment.
La différence de potentiel entre les points A et B est aussi appelée plus généralement tension entre A et B.
L’unité de potentiel en un point du circuit et le Volt (V).
L’unité de différence de potentiel entre deux points du circuit est le Volt.
L’unité de tension entre deux points du circuit est le volt.
Résistance
Pour une tension donnée, pour une différence de potentiel donnée, chaque matériau s’oppose plus ou moins à la circulation du courant électrique. Cette faculté se nomme résistance.
IL en est de même des appareils électriques qui sont fabriqués avec des matériaux tels que le cuivre, l’aluminium qui conduisent l’électricité ou les plastiques qui ne le conduisent pas .
La pile fournit une tension de 4,5 volts entre l’anode (-) et la cathode (+). Entre les deux bornes + et – il y a une différence de potentiel de 4, 5 volts. De nombreux électrons s’accumulent dans la pile sur l’anode (-) L’anode pousse les électrons de chaque atome du fil. Mais le fil en cuivre ne peut laisser passer qu’une certaine quantité d’électrons. C’est suivant la quantité d’électrons qui peut sauter d’un atome à l’autre dans le fil de cuivre. La lampe est allumée car cette quantité d’électrons passants est suffisante.
On a toujours le même montage sauf qu’on a remplacé le fil de cuivre par un fil de fer.
La lampe brille moins intensément que précédemment.
La constitution des atomes de fer dans le fil ne peut laisser passer une moindre quantité d’électrons.
Moins d’électrons ne peuvent sauter d’un atome de fer à l’autre dans le fil.
Le fil de fer est remplacé par un fil de laine.
La lampe ne brille plus
La laine ne laisse passer aucun électron.
Aucun électron ne peut sauter car la laine est constituée de molécules. Elle ne possède pas d’électrons libres.
La laine s’oppose au passage du courant électronique; C’est un isolant.
Nous venons de voir la notion de résistance.
C’est la faculté qu’a un élément d’un circuit électrique (fil, appareil, …) à s’opposer à la circulation du courant, des électrons.
Cette résistance se mesure en Ohms (Ω).
On pourrait considérer la mesure inverse, c’est-à-dire la faculté qu’à un élément à laisser passer le courant. C’est la conductance dont l’unité est le Siemens (S)
La loi d’Ohm
Aux bornes d’un appareil électrique (qui pour la plupart, moteurs, radiateurs, sont constitués de fils de métaux qui laissent circuler plus ou moins les électrons), la tension est proportionnelle à l’intensité du courant et à la résistance de l’appareil. Plus la résistance est grande, plus la tension sera élevée. Plus l’intensité est importante, plus la tension est élevée.
Ces deux autres formules se déduisent de la première ci-dessus.
Mais arrêtons nous sur la deuxième. L’intensité est inversement proportionnelle à la résistance. Si la résistance est très petite, proche de 0 l’intensité sera très grande. (un nombre divisé par un très petit nombre est un très grand nombre.
Elle sera tellement grande qu’elle peut mettre le feu. C’est la raison pour laquelle, il ne faut jamais relier les bornes d’un générateur de courant, une pile par exemple, par un fil. Ca prend feu. La résistance du fil est très petite.
Dans ce circuit il n’y a aucune résistance.
Les électrons circulent à l’extérieur de la pile du pôle négatifs au pôle positif, de l’anode vers la cathode.
C’est normal, puisque les électrons étant chargés négativement, ils sont repoussés par l’anode et attirés par la cathode.
Le sens de circulation des électrons est indiqué par la flèche verte.
Par contre, le sens conventionnel du courant est indiqué par les flèches rouges. Il part de la cathode + vers l’anode -.
Comme il n’y a aucune résistance, les électrons circulent massivement. L’intensité est très élevée. Tellement élevée que le circuit brûle.
C’est un court circuit. C’est très dangereux.
Nous avons inséré un conducteur ohmique, une résistance dans le circuit.
Aux bornes de la pile, il existe une différence de potentiel, une tension de 4,5 volts. Les électrons s’accumulent sur l’anode de la pile et dans le fil du circuit jusqu’à la résistance. Cette dernière ne les laisse pas tous passer d’un seul coup. Elle résiste à leur passage.Elle n’en laisse passer qu’un petit nombre dans un laps de temps défini. Admettons qu’elle n’en laisse passer que 4 par seconde. Il sortira 4 électrons de la résistance. Mais en même temps il en rentrera aussi 4 la seconde suivante qu’elle laissera passer et ainsi de suite.
Ainsi nous aurons toujours la même accumulation d’électrons à l’entrée de la résistance. Dans le circuit, nous aurons constamment une circulation de 4 électrons qui représentent l’intensité.
Si la résistance mesure 90 Ohms, l’intensité dans le circuit sera uniformément de 0,05 Ampères.
Trois résistances sont montées en série (à la queue leu leu) dans le circuit.
Au point A les électrons sortent en masse de la pile et vont s’accumuler en B à l’entrée de la première résistance. Comme elle résiste à leur passage, elle n’en laisse passer que 4 par exemple par seconde. Les 4 électrons s’échappent de la résistance en C et sont remplacés en B immédiatement par 4 autres électrons.
Ces électrons vont s’accumuler en D à l’entrée de la deuxième résistance qui, elle ne va laisser passer que 3 électrons par seconde car elle est plus résistante que la première.
En E la deuxième résistance laisse passer 3 électrons.
Ces électrons passés vont s’accumuler à l’entrée de la troisième résistance qui est encore plus résistante et qui ne laissera passer par exemple q’un électron par seconde. Electron qui retourne dans la pile.
Pour l’intensité du courant, comme c’est la dernière résistance ici qui donne l’intensité car la plus résistante de toutes, tout se passe comme si nous avions dans le circuit une seule résistance dont la mesure sera égale à la somme de toutes.
Comme la résistance BC freine le passage des électrons. La différence du nombre d’électrons entre B et C Donnera une certaine différence de potentiel entre B et C. Cette différence se calcule grâce à la loi d’Ohm : première ligne bleue ci contre.
On peut dire que la résistance BC provoque une chute de tension entre B et C.
Il en est de même pour la résistance DE : deuxième ligne bleue ci contre
Pareil avec la résistance FG , troisième ligne bleue.
Finalement on remarque que toutes ses différentes tensions aux bornes de chacune des résistance est égale à la tension entre les bornes de la pile AH.
Nous avons vu précédemment comment se comportaient les électrons dans un circuit en série, un circuit où tous les éléments électriques, appelés dipôles, sont branchés les uns à la suite des autres.
Cette fois, voyons ce qui se passe dans un circuit en dérivation. Les dipôles sont branchés parallèlement les uns aux autre, comme les résistances R1 et R2 du schéma ci-contre. Pour simplifier, nous nous occuperons que du sens conventionnel du courant, en rouge.
Arrivé en A le courant électrique se partage en deux suivant la résistance de chacune des branches.
Sachant que la tension entre A et B ne varie pas et est égale à la tension entre les bornes du générateur, la tension aux bornes de la résistance R1 est égale à la tension aux bornes de la résistance R2.
La résistance équivalente dans un circuit en dérivation est la résistance que l’on aurait si on n’avait qu’un dipôle, donc qu’une branche entre A et B. Cette résistance est donnée par la formule : 
A partir de là, nous pouvons calculer les intensités circulant dans la branche principale et dans chacune des branches dérivées.
Voir les résultats ci-contre.
Loi d’Ohm, résumé
La loi d’ohm ne s’applique que pour les dipôles résistances appelés aussi résistor
Conventions
Circuits en série
Circuits en dérivation
