Module 2 : Courant électrique – Appropriation

Le courant électrique

Si deux corps métalliques, l’un chargé positivement, l’autre négativement, avec la même quantité de charge sur les deux corps, sont reliés par un fil conducteur alors la force électrostatique va provoquer un déplacement d’électrons du corps en excès (négatif) excès vers le corps présentant un déficit (positif). Ce déplacement se fait en un temps extrêmement petit et s’arrêt lorsque l’équilibre entre les charges positives et négatives est atteint.

Le courant électrique correspond donc à un déplacement d’électrons à travers un  conducteur d’un pôle négatif vers un pôle positif.

Analogie hydraulique

Le déplacement des électrons dans un conducteur peut être comparé au déplacement de l’eau dans une conduite reliant deux réservoirs, l’un plein et l’autre presque vide.

Lorsque le robinet s’ouvre, l’eau s’écoule jusqu’à ce que les niveaux des deux réservoirs soient identiques.

Analogie hydraulique 1

Pour obtenir un déplacement d’eau permanent, il faut maintenir la différence de niveau entre les deux réservoirs de telle sorte que le niveau d’un des réservoir soit toujours supérieur au niveau de l’autre. L’ajout d’une pompe au système reliant les deux réservoirs peut assurer cette différence en permettant le retour de l’eau dans le réservoir de départ.

Analogie hydraulique 2

Le déplacement des électrons suit la même logique. Pour produire un courant électrique, il faut un déséquilibre au niveau des électrons. Pour que ce déséquilibre soit permanent, il faut un dispositif qui le maintient. Ce dispositif est ce qu’on nomme un générateur.

Les générateurs électriques

Le rôle d’un générateur électrique est de sépares les charges positives et négatives de la matière et de les accumuler sur deux bornes différentes : les charges positives (les trous : absence d’électrons) s’accumulent à la borne positive et les charges négatives (les électrons) s’accumulent à la borne négative.

Pour pouvoir séparer les charges électriques, les générateurs ont besoin d’un apport constant d’énergie.

La source d’énergie dépend du type de générateur utilisé, elle peut être chimique, mécanique, solaire… Actuellement, il n’est pas encore possible d’utiliser l’énergie électrique naturellement produite comme les éclaires.

Un générateur électrique est donc un transformateur d’énergie qui, convertit une énergie primaire en énergie électrique.

Générateur schéma

Une autre façon de définir le générateur est de le considérer comme un dispositif fournissant de l’énergie aux charges électriques. Effectivement, nous pouvons considérer qu’une charge négative à plus d’énergie à la borne négative qu’à la borne positive et inversement.

Un générateur est donc un dispositif communiquant de l’énergie aux charges électriques le traversant.

L'électricité

La pile électrique

Comment fabrique-t-on de l'électricité?

Comment recharge-t- on une pile?

Les différents générateurs

Les générateurs photovoltaïques transforment l’énergie lumineuse en énergie électrique.

Exemples : panneaux solaires, cellules solaires…

photovoltaique

Les générateurs mécaniques qui transforment l’énergie mécanique en énergie électrique.

Exemples : dynamos, alternateurs, machines électrostatiques…

Centrales électriques

Les générateurs thermiques qui utilisent une différence de température pour produire de l’énergie électrique.

Exemple : la sonde Peltier – Seebeck

Générateur thermique

Les générateurs chimiques qui transforment l’énergie chimique en énergie électrique.

Exemples : piles, batteries, accumulateurs, piles à combustibles…

Piles

Les sens du courant électrique

 

Le déplacement des électrons s’effectue de la borne négative d’un générateur vers la borne positive de ce même générateur. Malheureusement, lorsque les premières recherches sur l’électricité ont eu lieu, les scientifiques de l’époque ne connaissait pas l’existence des électrons et donc la logique de leur déplacement.

L’un d’eux, André-Marie Ampère (1175-1836),  expliquait que lorsqu’on relie un circuit à une générateur, deux courants inverses se forme :  un courant positif partant de la borne positive du générateur et un courant négatif partant de la borne négative. Il proposa une convention : lorsqu’on parle de sens du courant cela désigne le sens du courant positif. Dans son hypothèse, les deux fluides se croisent sans se neutraliser. Il n’avait d’ailleurs aucune idée de la nature réel de ces courants. Il aura fallu attendre les expérience de Joseph John Thomson (1856-1940) pour découvrir l’existence des électrons.

Le sens du courant, qui a été choisi par convention au début du XIXe siècle, va de la borne positive vers la borne négative ! Ce qui est le sens inverse du déplacement des électrons.

La vitesse de déplacement des électrons

Lorsqu’on allume un appareil électrique, celui-ci réagit directement à tel point que nous avons l’impression que les électrons doivent se déplacer extrêmement vite. Mais rien n’est plus faux ! En réalité, si nous focalisons notre attention sur un seul électron, nous n’observerions qu’un petit déplacement, d’un atome à un autre.  L’impression de vitesse est due au fait que c’est l’ensemble des électrons qui se mettent en mouvement en un temps très court.

Les effets du courant électrique

L’effet thermique ou l’effet Joule

Les conducteurs électriques ne sont pas parfaits : ils offrent une certaine résistance au passage du courant électrique. Le passage des électrons est donc freiné ce qui entraîne un « frottement » entre ceux-ci et le conducteur. C’est ce « frottement » qui échauffe la matière et qui est responsable d’une perte d’énergie non négligeable.

Certains appareils exploitent cette propriété (radiateur, grille-pain, fer à repasser…), mais d’autres doivent lutter contre celle-ci (raison d’être la ventilation dans un PC, par exemple).

L’effet chimique

Comme vous le verrez en chimie, la matière est constituée de molécules qui sont des assemblages d’atomes. Les liaisons entre ces atomes sont aussi dues aux électrons ce qui a pour conséquence qu’un courant électrique peut les modifier.

Ainsi, à l’aide d’un courant électrique nous pouvons « casser » les liaisons existantes entre deux atomes et briser des molécules. ou en former de nouvelles. L’électrolyse de l’eau est un parfait exemple de cette propriété.

L’effet magnétique

Lorsqu’un courant passe dans un conducteur, le déplacement électrique crée un champ magnétique qui peut dévier l’aiguille d’une boussole. Cet effet peut être amplifié si l’on forme des spires avec le conducteur pour créer une bobine. Les effets magnétiques de chacune des spires vont ainsi s’accumuler. C’est ainsi que l’on crée un électroaimant.

L’effet magnétique est utilisé dans de nombreux appareils : les haut-parleurs, les portes coupe-feu, la sonnerie…

L’effet luminescent

Un courant électrique qui passe dans une cellule spécifique peut, dans certaines conditions, libérer des photons. Ces photons sont les particules qui constituent la lumière.

Les lampes LED et les diode utilisent ce principe.

Les types de courant

Il existe deux formes de courant différentes selon le type de générateur qui le produit : le courant continu et le courant alternatif. Les appareils électriques sont conçus pour un type bien particulier de courant au risque d’être endommagé.

Le courant continu

Comme son nom l’indique, le courant continu délivre un courant d’électrons se déplaçant toujours dans le même sens. Il est donc nécessaire de faire attention au sens des pôles. Ce type de courant est délivré par les piles et les batteries, mais aussi par les panneaux photovoltaïques.  Le matériel électronique est dépendant de ce type de courant, c’est pour cette raison que vous avez des transformateurs sur les chargeurs de GSM.

Le courant alternatif

Le courant alternatif doit son nom au fait que le sens de déplacement des électrons change en permanence, car les bornes passent d’un pôle négatif à un pôle positif. Ceci est dû au générateur qui est un alternateur. Pour mieux comprendre ce que cela signifie, je t’invite à regarder la vidéo ci-dessous.

Le courant domestique délivré dans les maisons est de ce type, il change de polarisé 50 fois par seconde (50 Hz).

Pour en savoir plus…

Le Courant Alternative Électricité Pour Les Nuls

C'est pas sorcier - Piles et Batteries

C'est pas sorcier - Quand les branchés disjonctent