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Comprendre les grandeurs électriques – partie 2

Alors que la partie 1 des explications sur l’électricité présentait des notions simples (intensité, tension…), cette page doit présenter des notions un peu plus compliqués à cerner.
Il va falloir faire appel à des notions d’électromagnétisme, par exemple pour savoir à quoi est due l’induction électromagnétique dans une bobine de fil. D’où le fait d’avoir choisit de séparer ce cours en deux pages.

Électricité, magnétisme et électromagnétisme

Dans cette partie, il faut voir que les phénomènes magnétiques et les phénomènes électriques sont intimement liés. On parle alors de phénomènes électromagnétiques

Tout ceci prends ses origines avec les particules chargées, comme les électrons ou les protons.

Une particule chargée produit autour de lui un champ électrique, tout comme une allumette produit un champ de température autour d’elle.

schématisation du champ E↑ La particule produit un champ électrique autour d’elle. L’intensité des forces électrique diminue avec la distance (image).

Si la particule chargée se déplace, le champ électrique est modifié. Or, le physicien Ampère a montré qu’une variation dans la champ électrique produit l’apparition d’un champ magnétique.
Une particule chargée en mouvement produit donc un champ magnétique autour de lui.

Enfin, tout comme la variation dans un champ électrique induit un champ magnétique, Faraday a mis en évidence qu’une variation de champ magnétique induit l’apparition d’un champ électrique.
Ces deux effets permettent d’établir la théorie électromagnétique : les deux champs électriques et magnétiques sont liées et couplées.

Inductance électromagnétique d’une bobine

Une bobine est un fil enroulé sur lui même. Les propriétés électromagnétiques d’un tel composant ont pour conséquences que le courant électrique ne s’établit pas instantanément (comme dans un fil) : si on branche une pile à une lampe et à une bobine, la lampe s’allumera progressivement et graduellement (alors qu’elle s’allume instantanément en temps normal) :

La lampe ne s’allume que progressivement en présence d’une bobine dans le circuit↑ À cause de la bobine, la lampe s’allume petit à petit (si l’image n’est pas animée, cliquez-ici).

C’est comme si la bobine retardait les électrons d’accélérer jusqu’à leur vitesse de croisière.

Ce phénomène est également présent à l’extinction du courant : la bobine continuera à faire circuler les électrons jusqu’à l’interrupteur, où une violente étincelle peut se produire à cause d’une accumulation des électrons.

Il apparaît aussi une tension au bornes de la bobine, qui disparaît quand le courant est totalement établi : en effet à l’allumage, si les charges à l’entrée de la bobine arrivent sans que les charges en sortie partent, il y a un surplus d’électrons d’un côté, donc un potentiel électrique plus élevé d’un côté.

L’inductance d’une bobine se note « L » et son unité et le « Henry » (symbole : H).

Une inductance de 1 henry correspond à une bobine dont les bornes affichent une différence de potentiel de 1 volt lorsque qu’il est traversé un courant variant à un taux de 1 ampère par secondes.

Si l’on reprend notre analogie avec les différences de hauteur, considérons le principe des vases communicants :

analogie de l’électricité et des vases communiquants↑ Ce système de vases communiquants peut être analogue à des charges électriques communiquants.

On peut assimiler la quantité d’eau à une quantité d’électrons ; la différence d’altitude à une différence de potentiel ; le courant d’eau dans la vanne à une courant d’électrons.
On comprendra que si l’on ouvre le robinet sur la vanne, l’eau du vase de gauche ira vers le vase de droite. La partie de l’eau à gauche qui est hachurée correspond à la zone dont l’eau est susceptible d’amorcer une décente. Au fur et à mesure que l’eau est transférée, les niveaux d’eau de chaque côté se rapprochant, le débit d’eau dans la vanne diminueara progressivement jusqu’à devenir nul.
La partie de l’eau hachurée possède une inertie : à l’arrêt, il faut quelques instants pour que l’eau remplisse la vanne et que le transfert d’eau s’établisse. Une fois en mouvement, il faut quelques instants pour que le débit s’annule et le courant s’arrête. Cette mise en mouvement et à l’arrêt n’est pas instantannée à cause de l’inertie de la masse d’eau.
Sans cette inertie mécanique, l’eau traversera la vanne de façon uniforme : sans ralentir mais en s’arrêtant instantanément une fois l’équilibre atteint.
L’inductance d’une bobine, c’est l’analogie de cette inertie mécanique. Si on retire la bobine du circuit, l’intensité du courant est établi instantanément, et non plus progressivement.

L’inductance d’une bobine, c’est donc un peu l’inertie du courant : la bobine s’oposant aux variations du courant électrique, tout comme l’inertie d’un corps s’opose aux variations de vitesse de ce corps.
Cette opositions aux variations du courant est due aux phénomènes magnétiques générés par la bobine.

Capacité électrique d’un condensateur

Si la bobine est un dispositif créant des phénomènes magnétiques grâce à une variation d’intensité du courant, le condensateur est un composant qui génère des phénomènes électriques avec des variations de tension.

On a vu que la bobine continue de faire circuler les électrons même après avoir coupé le courant de la pile : on dit que la bobine emmagasine de l’énergie magnétique. Le condensateur, lui, peut emmagasiner de l’énergie électrique.
En fait, le condensateur serait ce qui se rapproche le plus d’un moyen pour stocker l’électricité telle qu’elle.

Le condensateur est constitué de deux plaques métalliques (armatures) séparées par un isolant. On en trouve de plusieurs formes géométriques, mais ceci est le cas le plus simple.

schéma d’un condensateur↑ Schéma d’un condensateur : deux armatures séparés par un isolant.

Quand on le branche à un générateur ou une pile, les électrons d’une plaque se déplacent dans le circuit jusqu’à l’autre plaque. Il y a donc une tension au bornes du condensateur quand une certaine charge électrique est passée d’une plaque à l’autre.

Quand le condensateur se charge, les électrons vont d’une armature à l’autre, créant une différence de potentiel entre les deux bornes.↑ Quand le condensateur se charge, les électrons vont d’une armature à l’autre, créant une différence de potentiel entre les deux bornes.

C’est la différence de potentiel entre les deux armatures qui forme un important champ électrique à l’intérieur du condensateur.

L’unité de la capacité électrique est le farad (symbole : F) ; 1 farad correspond à la capacité d’un condensateur qui transfère un 1 coulomb d’électricité et dont la tension finale obtenu à ses bornes est de 1 volt (1 coulomb, c’est 6,24×1018 électrons).

Dans la symétrie bobine/condensateur, si l’intérieur de la bobine est le théâtre d’un champ magnétique uniforme une fois le courant établi et la tension à ses bornes nulle, l’intérieur du condensateur est le théâtre d’un champ électrique uniforme une fois que le courant ne passe plus et que la tension à ses bornes est établi.