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L'électricité est un phénomène naturel (foudre) qui a été domestiqué par l'Homme. Elle constitue un intermédiaire intéressant entre une source et une machine ; par exemple, la force d'un courant d'eau tombant d'un barrage est convertie en électricité, cette électricité est transportée jusqu'au domicile où elle est transformée en lumière (ampoule) ou en chaleur (chauffage, plaque de cuisson). En secourisme :
C'est la raison pour laquelle nous allons ici évoquer quelques éléments d'électricité.
[modifier] HistoriqueVers l'an -600, Thalès de Milet découvre l'électricité statique : en frottant de l'ambre avec de la laine ou des peaux, il peut attirer à distance des objets légers comme une plume. Au XVIIe siècle, William Gilbert, médecin de la reine d'Angleterre, donne le nom d'« électricité » au phénomène découvert par Thalès, electron signifiant « ambre » en grec. En 1752, Benjamin Franklin montre que la foudre est composée d'électricité. Dans la deuxième moitié du XVIIIe siècle, Charles de Coulomb détermine la loi qui relie l'intensité de la force à distance avec la quantité de charge et la distance entre les charges. En 1799, Alessandro Volta découvre la pile électrique en empilant alternativement des disques de cuivre-feutre imbibé d'acide-zinc-feutre imbibé d'acide-… En 1820, Hans Christian Ørsted découvre la relation entre électricité et magnétisme, dont les lois seront décrites par André Marie Ampère, Michael Faraday, Jean-Baptiste Biot et Félix Savart, pour être finalement mise en forme en 1873 par James Clerk Maxwell. En 1827, Georg Simon Ohm énonce des lois mathématique permettant de caractériser les phénomènes électriques ; il est à l'origine des notions de courant et de force électromotrice (tension). En 1888, Heinrich Rudolf Hertz découvre les ondes électromagnétiques, prévues par les équaitons de Maxwell, et donne ainsi naissance à la radio. En 1897, Joseph John Thomson découvre l'électron. [modifier] Charge électriqueLa matière est composée d'atomes. Les atomes sont formés d'un noyau, portant une charge positive (+), et d'électrons portant une charge négative (-). Les charges (-) et (+) s'équilibrent dans un atome, un atome est dit « neutre ». Si l'on arrache un électron à un atome, on a :
Si l'électron célibataire est capturé par un atome, alors les charges négatives excèdent les charges positives, on a donc un ion négatif ou anion. On peut représenter cela avec le modèle planétaire de Bohr1 : le noyau, chargé positivement, est comme une planète autour de laquelle tournent les électrons, chargés positivement. Les électrons et les ions forment les charges électriques2. Les notions de positif et de négatif sont une convention, créée par Benjamin Franklin qui a désigné :
Comme toute convention, elle ne suit aucune logique particulière et n'a d'intérêt que parce qu'elle est universellement acceptée. L'unité internationale de charge électrique est le coulomb (abbréviation : C). La charge d'un électron vaut :
[modifier] Électricité statiqueLorsque l'on frotte du plastique sur les cheveux (par exemple peigne ou stylo), on peut attirer des objets légers, comme un plume ou un petit bout de papier, ou dévier un filet d'eau coulant d'un robinet. Le frottement a arraché des électrons, le plastique est donc chargé. Ce phénomène est appelé « électricité statique » ou « triboélectricité » du grec tribein qui signifie « frotter ». Le chargement électrique par frottement intervient par exemple lorsque l'on marche avec certaines semelles sur certains sols (moquette, lino), lorsque l'on met ou retire un vêtement en synthétique et parfois lorsque l'on roule en voiture. C'est également le frottement des pouussières qui charge certains nuages (les cumulonimbus) en électricité, provoquant la foudre. Les charges électriques exercent donc une force à distance, force dite « force électrostatique » ou « force de Coulomb ». Faisons l'expérience suivante :
On voit facilement que :
ce que l'on synthétise par :
Par ailleurs, on remarque que plus on rapproche les supports des boules, plus l'attraction ou la répulsion est importante ; quand on les éloigne, la force s'estompe. Si les boules s'attirent et qu'on les met en contact, il n'y a plus ni d'attraction : les charges se sont écoulées et neutralisées. [modifier] Courant électriqueSi l'on prend deux sphère, une chargée positivement et l'autre chargée négativement, et qu'on les relie par un fil métallique, alors les électrons surnuméraires de la sphère (-) s'écoulent vers la sphère en déficit (sphère (+)) ; ce mouvement de charges dans le fil constitue un courant électrique. Le courant s'arrête lorsque les deux sphères ont la même charge ; si le déficit d'électron de la sphère (+) était égal à l'éxcès d'électron de la sphère (-), alors les deux sphères sont neutres. Sinon, les deux sphère sont soit chargées positivement (le déficit de la sphère (+) était plus important que l'excès de la sphère (-)), soit négativement (l'inverse). Il ya donc eu une circulation de charges, un courant électrique, dans le fil. On appelle intensité du courant (ou ampérage), et on note I, la charge qui circule dans le fil par seconde. L'intensité est exprimée en ampère (symbole : A). Pour les faibles courants, on parle souvent en milliampères (mA) :
Les courants utilisés dans les applications domestiques sont en général de l'ordre que quelques centièmes ou dixièmes d'ampères (0,01 à 0,1 A, soit 10 à 100 mA), au plus de quelques ampères. En général, le disjoncteur de la maison disjoncte si le courant dépasse 10 ou 15 A. Dans un fil, on a donc une circulation de charges négatives (les électrons). On peut aussi avoir une circulation de charges dans une solution saline (sel dissout dans l'eau) ; on a alors :
Mais le courant peut résulter d'autres phénomènes que la décharge d'objets chargés par frottement ; il peut résulter de réactions chimiques (pile, batterie, accumulateur) ou de phénomènes électromagnétiques (dynamo, alternateur entraîné par une turbine dans une centrale électrique). On parle de manière générale de « force électromotrice »3. [modifier] Courant, tension et résistanceL'intensité du courant dépend :
Dans le cas le plus simple, l'intensité du courant est égale à la tension divisée par la résistance :
c'est la loi d'Ohm. Un objet vérifiant cette loi est appellé « conducteur ohmique » ou « conducteur passif » ; certains éléments de circuit dits « conducteurs actifs », et notamment des composants électoniques (condensateurs, diodes, transistors…), les accumulateurs en charge et les appareils fournissant une action mécanique (moteur, électroaimant) ne suivent pas cette loi. Un fil de cuivre de 10 m de long et d'1 mm2 de section a une résistance d'environ 0,017 Ω. Si on relie les deux bornes d'une pile de 4,5 V par ce fil, le courant qui va circuler sera :
ce qui est énorme ; on appelle cette situation un « court-circuit ». Si maintenant on met une ampoule de résistance 20 Ω aux bornes de la pile, il y passe un courant
Les ampoules à filament de tungstène utilisées pour le 220 V ont des résistances d'environ 1 000 Ω, et il y circule des courants d'environ 0,2 A (200 mA). [modifier] Résistivité, conducteur et isolantLa résistance dépend des dimensions de l'objet (plus un fil est long, plus il est résistant, plus sa section est grande, moins il est résistant), du matériau dont est fait l'objet et de la température. Pour comparer les matériaux, on considère des objets de 1 m de long et de 1 m2 de section, la résistance de ces objets modèle est appelées « résistivité », notée ρ. Nous listons ci-dessous quelques matériaux ; plus la résistivité est faible, mieux le matériau conduit l'électricité.
Les matériaux ayant une faible résistivité, comme les métaux, sont dits « conducteurs » ; ceux ayant une grande résistivité, comme les plastiques, les verres et les céramiques, sont dits « isolants ». On remarque que l'eau distillée (eau « pure ») est un isolant (elle conduit dix million de milliard —10 000 000 000 000 000 — fois moins que le cuivre). Cependant, l'eau de source ou l'eau du robinet contient toujours des ions (sels minéraux), l'eau de mer et la sueur encore plus, qui font que ces eaux là conduisent facilement l'électricité. [modifier] Analogie électrique/hydrauliqueOn peut faire une analogie entre le courant électrique et le courant d'eau. Le courant électrique, c'est-à-dire le débit de charges, est provoqué par une tension, et dépend de la résistance de l'objet traversé. Si l'on considère l'eau d'un barrage amené en bas par une canalisation, le courant d'eau (le débit) va dépendre de la dénivelée et de la perte de charge due à la canalisation : diamètre (plus une canalisation est grosse, plus le débit est élevé) et état intérieur (une paroi lisse donne un plus fort débit qu'une paroi rugueuse). Le courant d'eau peut aussi avoir d'autres origines que la chute, et notamment la pression exercée par un piston (pompe) ou par une hélice. Ce qui importe est en fait la différence de pression entre l'amont et l'aval. En fait, on peut exprimer la force mettant en mouvement l'eau indifférement sous la forme d'une différence de pression ou d'une hauteur d'eau4 On peut donc faire les correspondances suivantes :
Ainsi :
L'analogie peut se poursuivre pour la question de la vitesse du courant : lorsque l'on ouvre un robinet, l'est se met en mouvement « instantanément » — en fait, il y a un léger retard, l'ordre de mise en route va à la vitesse du son dans l'eau, soit 1 500 m/s (si le château d'eau est situé à 1,5 km du robinet, le niveau va commencer à baisser 1 seconde après que le robinet soit ouvert). L'eau, par contre, cirulebeaucoup plus lentement, à quelques mètres par seconde. C'est bien la même différence qu'entre la vitesse de mise en route du courant et la vitesse des charges. [modifier] Tension, potentiel et masseLa tension représente donc la force qui met en mouvement les charges entre deux endroits. La dernière partie de la phrase est importante :
de même que la dénivellée se définit entre deux points de la pente. Or, on a l'habitude de définir des valeurs en un endroit. Par exemple, si en hydraulique c'est la dénivellée qui importe, on aime bien définir l'altitude d'un point, la dénivellée étant la différence entre les altitudes. En électricité, on définit donc le potentiel, noté V, comme étant la tension entre le point considéré et un point choisi comme référence (le potentiel est donc en volts) ; ce point de référence est appelé masse.
La manière dont on définit le potentiel peut paraître artificielle, arbitraire, pourtant, c'est une manière de procéder classique. Prenons le cas de l'altitude justement : ce que l'on mesure, ce sont des longueurs, ou dans notre cas des hauteurs, c'est-à-dire la distance entre deux points. Pour définir une altitude, il faut bien choisir un point de référence pour pouvoir dire : « l'altitude est la hauteur par rapport à ce point de référence ». En l'occurence, le point qui a été choisi comme référence est le niveau moyen de la mer. En électricité, on choisit souvent la terre (c'est-à-dire le sol) comme point de référence pour le potentiel électrique. Mais dans le cas d'un circuit isolé du sol, on peut prendre n'importe quel point ; dans le cas d'un appareil ayant une carcasse métallique, on prend souvent cette carcasse (d'où le terme de masse), et dans le cas d'un générateur de courant continu, on choisit souvent le pôle (-) du générateur, sans que cela soit obligatoire. On a donc l'analogie électrique/hydraulique suivante :
Un point important est que :
C'est la raison pour laquelle il ne faut pas toucher une victime durant l'analyse du défibrillateurs semi-automatique (DSA) ou du défibrillateur automatique externe (DAE) : ces appareils enregistrent des potentiels sur la peau ; si un sauveteur touche la peau, il modifie le potentiel donc fausse la mesure, l'appareil risque donc de se tromper. [modifier] Étincelle et éclairUne étincelle est la création d'un courant électrique très intense dans un isolant5. Un isolant est un milieu ne contenant pas de charge électrique mobile. Normalement, lorsque l'on crée une tension aux bornes d'un isolant, il n'y a pas de courant électrique puisque les charges ne peuvent pas bouger : on considère que sa résistance est « infinie ». Dans certains, il y a un très faible courant dit « courant de fuite », qui est dû au fait que la résistance n'est pas réellement infinie (les charges bougent, mais très difficilement). Toutefois, lorsque la tension devient très grande, l'isolant « claque » : la tension est telle que les électrons sont arrachés aux atomes, créant des charges mobiles. Il en résulte une étincelle, qui, si elle se fait sur une grande distance, est appelée « arc électrique » ou « éclair ». La tension de claquage est très variable. Elle dépend essentiellement de la nature de l'isolant et de son épaisseur ; elle va de quelques voltspour des condensateurs d'électronique (le claquage provoque la destruction du condensateur) à plusieurs millions de volts dans le cas de la foudre. Par ailleurs, la tension réelle dépend aussi de la forme des objets, et notamment du rayon de courbure : la tension est beaucoup plus forte lorsque l'objet est pointu que s'il est plat. C'est pour cela que les paratonnerres sont pointus (ils « attirent » mieux la foudre). C'est l'« effet de pointe ». Une des conséquences est que lorsque l'on approche une caténaire de chemin de fer avec un objet pointu (main levée ou hampe de brancard), il y a plus de risque d'être foudroyé qu'avec un objet plat (le toit du wagon, qui est plat, est à moins d'un mètre de la caténaire). [modifier] Vitesse de l'électricitéLorsque l'on « met le courant » (par exemple lorsque l'on ferme un interrupteur), on crée une force électromotrice qui met les charges en route. Cette force se propage à la vitesse de la lumière dans le milieu : environ 226 000 km/s dans l'eau (courant électrique dans de l'eau salée) et 273 000 km/s dans le cuivre (fil électrique). Cette vitesse est tellement grande que l'on considère que toutes les charges se mettent en route ensemble, et ainsi, une ampoule s'allume « instantanément » lorsque l'on appuie sur l'interrupteur. C'est un peu comme les wagons d'un train : les wagons démarrent quasiment en même temps que la locomotive, mais il y a quand même un léger temps de retard dû au jeu entre les wagons. Les charges, par contre, vont très lentement. Dans le cas des électrons dans un fil de cuivre, ils vont à environ 60 cm par heure. Ainsi, lorsque l'on allume une ampoule situéée à 60 cm de l'interrupteur avec du courant continu, les électrons qui passent par l'interrupteur n'atteindront l'ampoule qu'une heure plus tard ; durant toute cette heure, ce sont les électrons qui sont devant eux qui auront provoqué la lumière. On peut prendre l'image d'une file de voitures arrêtées à un feu rouge. Lorsque le feu passe au vert, la première voiture démarre, puis une seconde après la deuxième, puis une seconde après la troisième… S'il y a une voiture tous les 4 m, l'ordre de démarrage va à une vitesse de 4 m/s, et est totalement indépendant de la vitesse des voitures en circulation (50 km/h, soit 14 m/s en en ville). Les cas d'une étincelle (éclair) et de l'influx nerveux sont différent. La vitesse d'un éclair est d'environ 40 000km/h, soit environ 11 000 km/s, ce qui est vingt-sept fois inférieur à la vitesse de la lumière mais bien supérieur à la vitesse des charges. L'éclair est un « éclatement » de l'atome qui s'ionise, l'atome se sépare en un ion et des électrons libres sous l'effet de la tension (plusieurs centaines de millions de volts dans le cas d'un orage). L'énergie libérée par cette ionisation provoque la lumière de l'éclair, et amorce également l'ionisation des atomes voisins. La vitesse de l'éclair est donc la vitesse à laquelle l'ionisation se propage de proche en proche. L'influx nerveux, quant à lui, n'est pas un courant électrique. C'est une réaction physiologique qui concerne la membrane de cellules longues, les neurones, qui forment les nerfs. Il y a des ions de chaque côté de la membrane (donc à l'intérieur et à l'extérieur du neurone), qui créent une tension électrique de -70 mV (-0,07 V) entre l'intérieur et l'extérieur, mais sans passage de courant (la paroi est isolante). Lorsque l'on stimule le nerf, des canaux s'ouvrent à cet endroit pour laisser passer les ions, ce qui inverse la tension (elle passe à environ +40 mV, soit 0,04 V). Ce changement de polarisation à un endroit provoque l'ouverture des canaux voisin, et c'est ainsi que l'information se propage de proche en proche. On a donc un faible courant électrique (mouvement d'ions) à travers la membrane, mais c'est le changement de tension qui se propage le long de la membrane. Selon le neurone, la vitesse de l'information varie entre 3 km/h et 3 000 km/h, soit entre 0,8 et 830 m/s. Par ailleurs, entre deux neurones (synapse), l'information se transmet par produits chimiques : l'extrémité du neurone excité émet des produits chimiques qui sont captés par le neurone voisin, qui est de ce fait excité ; le délais synaptique est de quelques millisecondes. [modifier] Puissance, énergie et rendement[modifier] PuissanceLa force électromotrice permet de mettre en mouvement des charges ; de manière symétrique, le mouvement des charges peut générer d'autres phénomènes :
Lorsqu'un phénomène provoque un autre phénomène, l'intensité du premier détermine l'intensité du second ; par exemple quand on roule en voiture électrique, plus on fournit de courant, plus on avance vite. Lorsque les phénomènes sont de nature différente, on exprime leur intensité avec une grandeur spéciale et commune : la puissance, notée P et exprimée en watt (abbréviation : W)6. La puissance est une sorte de « monnaie d'échange » commune entre les phénomènes ; ainsi, il est plus aisé de faire correspondre la puissance dégagée par les accumulateurs avec la puissance de traction de la voiture, que de faire correspondre des ampères avec la vitesse de la voiture. En électricité, la puissance est calculée en faisant le produit de la tension par l'intensité :
[modifier] ÉnergieDans l'exemple du moteur, la puissance correspond à l'accélération de la voiture. Si la voiture gagne un mètre par seconde à chaque seconde, c'est-à-dire que sa vitesse augmente de 3,6 km/h à chaque seconde, elle a une accélération de 1 m/s/s (que l'on note aussi 1 m/s2). Au bout de 10 secondes, elle ira à 10 m/s (soit 36 km/h). Pour en arriver là, les accumulateurs de la voiture se seront vidés d'une certaine charge. Ainsi, de même que l'on peut faire correspondre la consommation instantanée de courant avec l'accélération, on peut faire correspondre la charge consommée avec la vitesse acquise ; dans ce cas-là, la « monnaie d'échange » est l'énergie, notée W (de l'anglais work, travail), et exprimée en joules (abbréviation : J)7 :
où t est la durée durant laquelle on a consommé avec la puissance P (en supposant le puissance constante). [modifier] RendementLe courant électrique qui traverse un appareil sert à faire fonctionner cet appareil, mais il provoque aussi un échauffement indésirable (sauf dans le cas d'un chauffage ou d'une plaque de cuisson) ; c'est l'« effet Joule ». Cette énergie qui part en échauffement est considérée comme perdue ; ainsi, la puissance électrique consommée est toujours plus grande que la puissance utilisée par l'appareil. Le rapport puissance utile/puissance consommée définit le rendement de l'appareil. Ainsi, la puissance délivrée par le moteur (chevaux-vapeur) est inférieure à la puissance électrique consommée (watt). Si l'on note Pu la puissance utile à l'appareil (par exemple puissance du moteur) et Pj la puissance perdue par effet Joule, alors la puissance électrique P dépensée vaut :
et le rendement η (lettre grecque « êta ») vaut :
[modifier] Effet JouleDans le cas d'une résistance chauffante (chauffage, plaque de cuisson), l'intégralité de la puissance sert au chauffage, on a donc un rendement de 100 %. Si l'on utilise la loi d'Ohm, on a :
on voit donc que plus l'intensité du courant est importante, plus la résistance chauffe. Si l'on reprend l'exemple du fil de 10 m mettant en court-circuit d'une pile de 4,5 V ci-dessus, on a une puissance de chauffe de
alors que si l'on met une ampoule dans le circuit, le fil ne chauffe qu'avec une puissance de
donc le fil en court-circuit chauffe un million de fois plus vite que l'orsqu'il y a une ampoule ! Ceci illustre bien le risque d'incendie lié aux court-circuits. [modifier] RésuméCe résumé est reproduit en tête des articles subséquents pour faciliter la lecture lorsqu'on ne lit pas les articles les uns à la suite des autres.
[modifier] Notes1. on sait que ce modèle proposé par Niels Bohr en 1913 est faux, mais il permet cependant de bien s'imaginer la notion d'atome et d'ion ; le modèle actuel, proposé Erwin Schrödinger en 1927, dépasse largement le cadre de cet exposé. 2. il existe un troisième type de charges, les « trous d'électron » qui interviennent dans les composants électroniques, mais cela dépasse le cadre de la présentation. 3. en physique, le terme « force électromotrice » (f.é.m.) désigne en fait la tension (en volts) en sortie d'un générateur (pile, dynamo...). 4. la relation entre la différence de pression ΔP en pascals (abbréviation P) et la hauteur d'eau h en mètres est :
où ρ est la densité de l'eau (1 kg/L soit 0,001 kg/m3) et g l'accélération de la pesanteur (9,81 m·s2) ; une hauteur de 10 m d'eau représente à peu près une fois la pression atmosphérique (loi bien connue des plongeurs et des puisatiers) 5. on utilise aussi le terme « diélectrique » pour parler d'isolant 6. pour exprimer la puissance d'un moteur, on utilise habituellement le cheval-vapeur (CV) ; 1 CV = 736 W et 1 W = 0,001 4 CV 7. comme l'énergie est une puissance consommée durant une durée, on l'exprime parfois en watt-heure (W·h) : 1 W·h = 3 600 J et 1 J = 0,000 28 W·h ; [modifier] Voir aussi
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