Comprendre les grandeurs électriques

L’électricité — courant électrique

Les électrons sont des particules élémentaires qui portent une charge électrique. Tous les atomes possèdent des électrons. Ces électrons sont en général solidaires des atomes.
Les atomes dans un métal conducteur d’électricité ont des électrons dits « libres » : ils ont la capacité de se déplacer dans tout le conducteur en sautant d’un atome à un autre.

Ainsi, dans un fil électrique alimenté par une pile, les électrons se déplacent uniformément dans le même sens[1] : ils forment un déplacement uniforme des électrons dans le fil. On parle alors de courant électrique.

↑ Le courant électrique est un déplacement de charges électriques, ici des électrons.

L’électricité ou le courant électrique est donc un déplacement d’électrons dans un conducteur[2].

Intensité du courant électrique

Si le conducteur est assez gros (un fil de section plus grande par exemple), il y a plus d’électrons disponibles : l’intensité du courant peut augmenter. En fait, l’intensité du courant est une grandeur qui caractérise la quantité d’électricité qui traverse le fil chaque seconde.

L’intensité du courant électrique se note généralement « I » et son unité est l’ampère (symbole : A), et elle se mesure avec un ampèremètre branché dans le circuit.

Un courant de 1 ampère correspond à un déplacement de 6,24×10¹⁸ électrons qui traversent le fil chaque seconde.

La définition rigoureuse est beaucoup plus compliquée :

Un ampère est l’intensité d’un courant constant qui, s’il est maintenu dans deux conducteurs linéaires et parallèles, de longueurs infinies, de sections négligeables, et distants d’un mètre dans le vide, produirait entre ces deux conducteurs, une force égale à 2×10^–7 newton par mètre linéaire.

↑ 1 A dans deux fils distants de 1 m produit une force de 2×10^–7 N.

Je n’expliquerai pas tout ici, mais elle utilise la mesure de l’intensité de la force du champ magnétique qui se forme autour d’un fil électrique : deux fils écartés d’un mètre et traversés par un courant de 1 A produit une force de 0,0000002 newton.

Potentiel électrique – Différence de potentiel & tension électrique

Potentiel électrique

Le potentiel électrique est une caractéristique propre à un point. Tout comme la température et la pression sont propres à un point de l’espace. C’est une grandeur spécifique de l’endroit où l’on se place.

Elle dépend du nombre de charges placées à cet endroit : si on place 5 électrons à un endroit et 10 électrons à un autre endroit, alors on crée deux zones où le potentiel électrique sera différent.

↑ Le potentiel électrique est donné en chaque point. La carte de tous les potentiels d’une zone de l’espace est un champ potentiel électrique (E).

Le potentiel dépend de ce qu’on fait à ce point : si on le relie à une pile ou à un une ligne électrique, si on approche une charge électrique, le potentiel électrique ne sera pas le même…
Il s’agit donc d’une valeur, et un potentiel de 0 V correspond à une référence neutre : celle de la Terre, du sol. Si on plante un fil dans le sol, le potentiel sera de 0 V tout au long de ce fil.

Différence de potentiel

Associé au potentiel, on trouve la notion de « différence de potentiel ».
Il s’agit de prendre deux points de l’espace donc deux potentiels électriques et de calculer leur différence.

Par exemple, si les deux extrémités d’un fil sont à un potentiel de 0 V chacun, la différence est 0 V.
S’il y a 230 V sur un fil 0 V sur un autre fil, la différence de potentiel entre les deux fils est de : 230 – 0 = 230 V.
Cette notion est peut-être triviale, mais on en a besoin, car elle est souvent analogue à la  tension électrique .

Différence de potentiel et tension électrique

D’un point de vue physique, la différence de potentiel et la tension ne sont pas totalement identiques (la tension relie l’énergie transmise à une particule chargée et la charge électrique de cette particule), mais pour simplifier, nous dirons que la tension électrique est équivalente à la différence de potentiel. Ceci est d’ailleurs presque toujours vrai en pratique.

Une tension électrique se note généralement « U » et se mesure en volt (symbole : V) à l’aide d’un voltmètre qui se branche aux bornes d’une portion du circuit. Par définition, 1 V est la tension aux bornes d’un dipôle d’une puissance de 1 W traversé par un courant de 1 A.

↑ La tension se mesure entre deux points.

On peut faire une analogie de la tension électrique avec une différence de hauteur de chute : Si vous tombez par terre d’une chaise, la chute est de 50 centimètres. Si vous tombez d’un immeuble de 50 mètres, la chute est de 50 mètres.
Mais si vous posez une chaise sur le toit de l’immeuble, et que vous tombez de la chaise, la chute sera seulement de 50 centimètres.
Ce n’est donc pas la hauteur en elle même qui vous fera mal, mais la différence de hauteur entre votre position et votre point de chute qui déterminera si vous vous faites un peu mal en tombant (0,5 m) ou très très mal (50 m).

↑ La tension entre deux points est analogue au dénivelé entre deux altitudes.

En électricité, le potentiel est analogue à la hauteur et la tension équivaut à la différence de hauteur entre deux endroits. Ainsi, tout comme une distance se mesure entre deux points, la tension se mesure entre deux points également.
Ce n’est donc pas le potentiel qu’il faut voir, mais la différence de potentiel. C’est bien la différence de potentiel appliquée à une lampe qui la fera briller plus ou moins fortement.

↑ Exemples numériques de tensions. Et oui, un potentiel, comme une tension, peut être négatif.

C’est pour cette raison, par exemple, qu’un oiseau peut se poser tranquillement sur une ligne électrique à 20 000 V : l’oiseau touche le fil, donc il se met au même potentiel que le fil et la différence de potentiel entre le fil et l’oiseau est nulle : il n’est pas électrocuté.

Résistance électrique – loi d’Ohm − effet Joule

Résistance électrique

Tous les matériaux ne se laissent pas traverser par un courant électrique avec la même facilité. Deux fils de deux matériaux différents ne laisseront pas passer le même courant.
On dit que ces deux matériaux sont inégalement conducteurs, ou inégalement résistants.

La résistance est une caractéristique du matériau et de la forme géométrique du fil : il quantifie la difficulté du courant à passer au travers d’un fil.

Pour faire une analogie, imaginez-vous en train de traverser une foule : s’il y a beaucoup de personnes et si en plus ces personnes vous retiennent de passer, vous avez du mal à passer (résistance élevée), mais si ces personnes vous aident à passer, alors vous traversez la foule sans problème (résistance faible). Pour l’électron, c’est pareil : suivant le matériau, les atomes « accrochent » plus ou moins l’électron.

La résistance est la grandeur mesurant la difficulté qu’un courant a à passer dans un matériau. Si vous voulez avoir la facilité (l’inverse de la difficulté), il existe une grandeur nommée « conductance » qui est l’inverse de la résistance.

La résistance électrique est habituellement notée « R » dans les calculs et son unité est l’ohm (symbole : Ω).
1 Ω correspond à la résistance électrique exercée par un résistor quand il est soumis à une tension de 1 V et qu’il laisse passer exactement assez d’électrons pour constituer un courant de 1 A.

Résistance importante et résistance nulle

Les matériaux qui conduisent l’électricité sont appelés des conducteurs électriques. On y trouve tous les métaux ; les meilleurs d’entre eux étant l’argent, le cuivre et l’or : ce n’est pas pour rien que les fils électriques sont généralement en cuivre et non en fer ou en aluminium.

Les matériaux qui conduisent mal ou pas du tout l’électricité sont appelés des isolants, et parmi eux on trouve les matières plastiques ou le caoutchouc, mais également l’air, le verre ou certains gaz.

Parmi la classe des matériaux conducteurs, il en existe des nommés « supraconducteurs ». La résistance de ces matériaux là est tout simplement égale à 0 Ω. Dans les matériaux normaux comme le cuivre, la résistance est faible, mais pas nulle. Dans les supra-conducteurs, elle est nulle, et le courant électrique peut donc y circuler quasi-indéfiniment.

↑ Supraconducteur refroidit à l’azote liquide (en bas) et un aimant (en haut) qui lévite par effet Meissner (expulsion du champ magnétique de l’aimant en dehors de la surface du supraconducteur) — (image de Peter Nussbaumer).

Enfin, à mi-chemin entre les isolants (résistances élevées) et les conducteurs (résistances faibles), on trouve des matériaux dits « semi-conducteurs ». Ils ont une résistance intermédiaire et le courant ne passe que sous certaines conditions de tensions. Ils sont à la base de l’électronique et de toutes les puces informatiques actuelles.

Loi d’Ohm

Maintenant que l’on sait un peu mieux ce qu’est le courant électrique (un déplacement d’électrons), la tension (une différence de potentiel électrique), et la résistance électrique (force opposée au passage du courant par le matériau) voyons en quoi ces grandeurs sont liées.

Commençons par observer ce qui se passe si on branche une lampe à une pile de 1,5 V et à une pile de 4,5 V (1,5 V et 4,5 V sont les différences de potentiel qui existent entre les deux bornes de la pile[3]). On constate que la lampe brille beaucoup plus fort avec la pile de 4,5 V !

↑ Si on augmente la tension, la lampe brille d’avantage.

Puisque c’est le déplacement des électrons qui est responsable de l’échauffement du filament et de la lumière émise, on peut supposer que si la lampe brille d’avantage, c’est parce qu’il y a plus d’électrons qui passent. Autrement dit, que l’intensité augmente.

Conclusion : si on augmente la tension aux bornes de la lampe, l’intensité elle, augmente aussi.

En réalité, plus la tension aux bornes d’un circuit est importante, plus les électrons voyagent facilement et rapidement d’un bout à l’autre (ce qui est bien équivalent à dire que l’intensité augmente : si les électrons vont plus vite, il peut en passer davantage).

Si on mesure l’intensité du courant pour différents tensions, on observe un graphique comme celui-ci :

↑ Évolution de la tension en fonction de l’intensité, pour un résistor.

Cette relation liant ainsi la tension aux bornes d’un dipôle et l’intensité du courant qui la traverse, se nomme la Loi d’Ohm.
Pour un résistor, la tension et l’intensité sont proportionnelles et la constante de proportionnalité (rapport de la tension sur l’intensité) est la résistance électrique du résistor.

Attention toutefois, s’il est toujours possible de mesurer la tension et l’intensité autour d’un dipôle, le rapport n’est pas toujours constant et peut parfois même ne pas exister du tout.

Effet Joule

Peut-être avez-vous déjà remarqué : tous les appareils électriques chauffent. Cela vient du fait que les électrons dans les fils frottent contre les atomes constituant le fil. Cet échauffement est appelé Effet Joule.
Ces frottements constituent la résistance électrique.

On déduit alors que plus la résistance d’un conducteur est importante, plus l’échauffement le sera aussi.

↑ Pièce de monnaie chauffée à blanc par effet Joule causée par un courant de 200 ampères.

On entend parfois parler de « pertes par effet Joule ». Cela vient du fait que le frottement des électrons (donc la chaleur émise) ne contribue pas à alimenter l’appareil électrique. La fraction de l’électricité responsable de l’échauffement est perdue, d’où l’appellation « pertes par effet Joule ».

Dans un chauffage électrique, ces pertes sont mises à profit : on utilise l’effet Joule pour chauffer une chambre par exemple.

1. ↑ Dans le courant continu, les électrons vont tous dans le même sens. Dans un courant alternatif (comme celui du secteur) les électrons ne se déplacent pas en ligne droite mais font des aller-retours. Mais cela reste un déplacement, donc un courant.
2. ↑ Quand il s’agit d’un courant électrique dans une solution ionique (comme le corps humain) ce sont les ions – chargés électriquement eux aussi – qui se déplacent et qui constituent le courant électrique. Il est donc préférable de dire que le courant électrique est un déplacement de « charges électriques », afin de rester le plus général possible.
3. ↑ Une pile ordinaire possède deux bornes, où l’une est à –0,75 V et l’autre à +0,75 V. La différence (0,75 ;(–0,75) = 1,50) vaut bien 1,5 V. Ces valeurs (±0,75 dépend de la nature de la pile et des composés chimiques qu’il y a à l’intérieur : une pile saline est différente d’une pile carbone-zinc ou d’une pile au mercure).