L'électricité : Le courant électrique - Quiz
Le courant électrique
Lorsqu'une différence de potentiel ou tension existe entre deux points d'un conducteur, des charges électriques peuvent se mettre en mouvement. Ce déplacement ordonné des charges constitue le courant électrique.
Dans les métaux, les charges mobiles sont les électrons. Ils circulent d'atome en atome à travers le matériau sans que les noyaux des atomes ne se déplacent.
Pour qu'un courant puisse circuler, il faut un circuit fermé et un générateur capable de maintenir une différence de potentiel entre ses deux bornes. Si le circuit est ouvert, les électrons ne peuvent plus circuler et le courant s'interrompt.
Le sens du courant
Le courant électrique peut circuler de deux façons différentes : en courant continu (CC ou DC) ou en courant alternatif (CA ou AC).
- Le courant continu (CC ou DC) possède une polarité fixe : une borne positive (+) et une borne négative (-).
Dans un courant continu, les charges circulent toujours dans le même sens. Ce type de courant est fourni par les piles, les batteries, les panneaux photovoltaïques ou encore les batteries des véhicules électriques.
- Le courant alternatif (CA ou AC) change régulièrement de sens.
En France, le courant des prises électriques est un courant alternatif de 230 volts à une fréquence de 50 hertz (50 Hz), ce qui signifie qu'il change de sens 50 fois par seconde.
Le courant alternatif est utilisé pour transporter l'électricité sur de longues distances, car il est facile de modifier sa tension grâce aux transformateurs. Cela permet de limiter les pertes d'énergie sur les lignes électriques.
De nombreux appareils électroniques, comme les téléphones, les ordinateurs ou les téléviseurs, fonctionnent en courant continu. Leur chargeur ou leur alimentation transforme donc le courant alternatif du réseau en courant continu adapté à leur fonctionnement.
Le courant continu et le courant alternatif sont complémentaires. Le premier est particulièrement adapté aux appareils électroniques et au stockage de l'énergie, tandis que le second est privilégié pour la production, le transport et la distribution de l'électricité.
Avant la découverte des électrons, les scientifiques avaient choisi par convention que le courant circulait de la borne positive vers la borne négative du générateur. Ce sens est appelé le sens conventionnel du courant.
Aujourd'hui, on sait que ce sont les électrons qui se déplacent de la borne négative vers la borne positive.
Le sens conventionnel du courant reste cependant utilisé dans tous les schémas électriques, les calculs et les symboles normalisés.
La dérive, le déplacement des électrons
Dans un fil métallique, les électrons sont déjà présents avant que le générateur ne soit branché. Lorsque celui-ci est connecté, son champ électrique met presque instantanément tous les électrons en mouvement.
Les électrons se déplacent de quelque milimètres par seconde et en s'entrechoquant, mais le signal électrique se propage à environ 200 000 à 200 000 km/s, presque à la vitesse de la lumière ! C'est pourquoi une lampe s'allume immédiatement lorsqu'on ferme un interrupteur, même si les électrons ne l'ont pas encore atteinte.
L'intensité du courant
L'intensité du courant indique la quantité de charge électrique qui traverse un conducteur pendant une durée donnée.
On peut comparer l'intensité au débit de l'eau dans une canalisation : plus le débit est important, plus il passe d'eau en une seconde. De la même manière, une forte intensité signifie qu'une grande quantité de charges traverse le circuit.
Elle est notée I et s'exprime en ampères (A).
Une intensité élevée signifie qu'un grand nombre d'électrons traverse le conducteur chaque seconde.
I = Q / t
où I est l'intensité en ampères, Q la charge électrique en coulombs et t la durée en secondes.
Par exemple, si 20 C traversent un conducteur en 5 s, l'intensité vaut 4 A.
La tension électrique
La tension, notée U, représente la différence de potentiel entre deux points d'un circuit.
Elle s'exprime en volts (V).
La tension fournit l'énergie nécessaire pour mettre les charges électriques en mouvement. Sans différence de potentiel, aucun courant ne peut circuler.
Une pile de 1,5 V, une batterie automobile de 12 V ou une prise domestique d'environ 230 V fournissent des tensions très différentes adaptées à leurs usages.
On compare souvent la tension à la pression de l'eau dans une canalisation : plus cette pression est importante, plus l'eau a tendance à s'écouler. De manière analogue, une tension plus élevée favorise le déplacement des charges électriques.
La résistance électrique
La résistance électrique mesure l'opposition d'un matériau au passage du courant.
Elle est notée R et s'exprime en ohms (Ω).
Plus la résistance est grande, plus le courant circule difficilement.
La résistance dépend notamment de la nature du matériau, de sa longueur, de sa section et de sa température.
Le cuivre possède une très faible résistance, ce qui en fait un excellent conducteur. Le caoutchouc, le verre ou le plastique présentent au contraire une résistance extrêmement élevée et sont utilisés comme isolants. Entre les deux se trouvent des matériaux comme le silicium qui laissent passer faiblement le courant. On les appelle les semi-condusteurs
La loi d'Ohm
La tension, l'intensité et la résistance sont liées par la loi d'Ohm.
U = R × I
où U est la tension en volts, R la résistance en ohms et I l'intensité en ampères.
Cette relation permet également de calculer les deux autres grandeurs :
- I = U ÷ R
- R = U ÷ I
Une résistance de 100 Ω traversée par une tension de 12 V laisse passer un courant de 0,12 A.
La conductance
La conductance représente l'aptitude d'un conducteur à laisser passer le courant électrique.
Elle est l'inverse de la résistance :
G = 1 / R
où G est la conductance en siemens (S) et R la résistance en ohms.
Une grande conductance correspond donc à une faible résistance. Les conducteurs possèdent une conductance élevée tandis que les isolants présentent une conductance nulle.
La puissance électrique
La puissance électrique indique la quantité d'énergie transformée ou consommée chaque seconde par un appareil.
Elle est notée P et s'exprime en watts (W).
Une lampe de 10 W transforme chaque seconde beaucoup moins d'énergie qu'un radiateur de 2 000 W.
La puissance est donnée par la relation :
P = U × I
où P est la puissance en watts, U la tension en volts et I l'intensité en ampères.
Lorsqu'on connaît la résistance du conducteur, on peut également utiliser :
P = R × I²
P = U² / R
Ces trois relations sont équivalentes et sont choisies selon les grandeurs connues.
L'énergie électrique
L'énergie électrique correspond à la quantité totale d'énergie transférée pendant une certaine durée.
Elle est notée E et s'exprime en joules (J). Dans les habitations, la consommation est généralement mesurée en kilowattheures (kWh).
L'énergie consommée dépend de la puissance de l'appareil et de sa durée de fonctionnement.
E = P × t
où E est l'énergie, P la puissance et t la durée de fonctionnement.
Par exemple, un radiateur de 2 000 W utilisé pendant 3 heures consomme 6 kWh d'énergie électrique.
L'effet Joule
Lorsqu'un courant traverse un conducteur présentant une résistance, une partie de l'énergie électrique est transformée en chaleur. Ce phénomène est appelé effet Joule.
L'effet Joule est utilisé dans de nombreux appareils de chauffage comme les radiateurs électriques, les grille-pains, les bouilloires, les sèche-cheveux ou les plaques de cuisson.
Dans d'autres situations, cet échauffement constitue au contraire une perte d'énergie. Les lignes électriques chauffent lorsqu'elles transportent un courant important, ce qui explique l'utilisation de très hautes tensions pour limiter les pertes lors du transport de l'électricité sur de longues distances.
Si le courant devient beaucoup trop important, la température des conducteurs peut atteindre des valeurs dangereuses. Les fusibles et les disjoncteurs permettent alors de couper automatiquement le courant afin d'éviter une surchauffe ou un incendie.