Généralités sur l’électricité

Electricité… tient voilà un mot que tout le monde utilise, que l’on entend même depuis qu’on est tout petit sans vraiment savoir ce que cela signifie. En effet, l’électricité est à priori quelque chose qui ne se voit pas, qui ne s’entend pas et qui ne se « sent » pas.. à moins de mettre les doigts dans la prise mais ça il ne faut pas le faire

Pourtant elle est présente partout ! Non seulement autour de nous avec les éclairs créés par les nuages, dans les téléphones, les ordinateurs, sur les vêtements (quand on frotte son pull en l’enlevant, on entend parfois des petits claquements …. mais aussi à l’intérieur de nous lors des échanges d’informations entre les neurones dans le cerveau.

Mais par exemple dans le cas des éclairs, que se passe-t-il réellement? Un des moyens simple de se représenter le mécanisme de formation d’un éclair est le suivant :

Image 1 : Naissance des éclairs

Sur l’image 1, le sol est chargé de + et de -. Quand un nuage arrive, il est chargé de – en bas, ce qui repousse les – qui sont présents dans le sol. Donc il y a principalement des particules + au niveau de la surface du sol et des particules – dans la partie basse du nuage qui s’attirent. Chaque charge – est 2000 fois plus légère qu’un + et par conséquent se déplace avec plus de facilité (Il est plus facile de déplacer un ordinateur qu’une voiture ). Quand il y a trop de charges – accumulées en bas du nuage et de charges + dans le sol, les charges – vont se déplacer vers les charges +. On voit donc apparaître les éclairs.

C’est ce qui donne de l’électricité! Nous allons essayer d’en apprendre un peu plus.

Image 2 : Modèle de la matière

Image 3 : Image d’atomes avec un microscope AFM

Nous savons que toute la matière est composée d’atomes. Un atome c’est le plus petit grain indivisible de matière. Au centre d’un atome, il y a des particules chargées positivement, ce sont les protons. Puis, autour de ces protons tournent des particules chargées négativement, ce sont les électrons. Comme les charges + ont tendance à se repousser au sein du noyau, les boules bleues agissent comme de la colle fixant les charges + au centre. Ces boules bleues sont appelées des neutrons. Autant dire que tout ça c’est très très .. très petit !

Pour avoir un ordre d’idées, faisons appel à notre imagination. Si un atome faisait la taille du soleil (1 392 000 000 m), le noyau aurait ma taille, presque 2 m. Un atome c’est donc 10^-10m !… Pour vous en persuader, je vous ai mis juste à titre d’exemple, une image «réelle » d’atomes pris avec un microscope ultra perfectionné. Aujourd’hui nous pouvons apercevoir les atomes , l’image 3 du microscope de type AFM représente une couche de cuivre sur laquelle on a déposé 48 atomes de fer en cercle. Les cercles concentriques (qui apparaisent au centre des atomes de fer) et les formes pointues au-dessus des atomes jaunes sont liés à des erreurs de l’appareillage (il n’est pas encore assez précis). De même, l’image a été colorée artificiellement pour mieux voir le relief. Sur cette image, on voit qu’il a deux types d’atomes, les bleus qui sont le cuivre et les jaunes qui sont le fer.

Mais revenons à nos moutons . Sur l’image 1, il y a plusieurs couches électroniques (ici 2). Les électrons de la couche extérieure auront plus tendance à se détacher de l’atome que ceux du centre. Les électrons qui se détachent peuvent ainsi se déplacer dans la matière.

Question : Mais où vont ces électrons ?

ils se promènent d’un atome à l’autre. Ils peuvent s’associer avec un autre atome ou alors tout simplement rester des électrons libres, qui ne s’attachent à aucun atome !

Le courant provient du déplacement de charges électriques se déplaçant dans la matière.

Le courant électrique se mesure en Ampère (A).

En électricité, les charges électriques sont des électrons qui se déplacent d’un pôle – vers un pôle + d’un circuit. Historiquement, au début de l’étude sur l’électricité, les scientifiques ont pensé que les particules qui se déplaçaient dans la matière étaient chargées positivement. Ils ont défini en conséquence un sens conventionnel du courant comme étant le sens de déplacement des charges positives. Il n’y a pas longtemps, on a mis en évidence que ce sont très majoritairement les électrons, particules chargées négativement, qui se déplacent dans les métaux et qui permettent la circulation des courants électriques. C’est pourquoi le sens conventionnel du courant sera noté du + vers le – comme dans le schéma ci-dessus. Les petits points bleus vont de la borne + (bleu) vers la borne – (rouge) de la pile. C’est un peu tordu mais cela ne change en rien les calculs. Il faut juste retenir :

• Le courant provient du déplacement des électrons
• Le sens du courant c’est la flèche dessinée sur le schéma
• L’intensité de cette flèche, c’est i !

Comment on mesure l’intensité de ce courant ?.. C’est ce que nous verrons dans le prochain chapitre.

Comme on l’a vu, certains matériaux sont composés d’atomes perdant des électrons qui vont pouvoir se promener dans la matière. C’est ce que l’on appelle les matériaux conducteurs. Attention, certains matériaux interdisent le passage d’électrons (car ils ne possèdent pas d’électrons libres), nous les appelons les isolants.

On sait que les électrons occupent des couches selon la règle du duet et de l’octet (vu en chimie). Les atomes qui vérifient cette règle sont dits stables, tous leurs électrons sont très liés au noyau, ils ne peuvent donc pas se détacher et devenir des électrons libres.

Dans un corps pur simple de type élémentaire ( c’est-à-dire que les atomes ne forment pas de molécules et ne comportent qu’un seul type d’atomes), les atomes qui vérifient ces règles sont des isolants (colonne tout à droite dans le tableau de Mendeleïev). Pour les autres atomes, ils ont la possibilité de gagner ou de perdre des électrons, ils sont des conducteurs.

Question : Mais alors pourquoi le bois n’est-il pas conducteur, puisqu’il est constitué d’atomes conducteurs comme le carbone, l’oxygène et l’hydrogène ?

Dans les corps composés de plusieurs types d’atomes, la structure des atomes modifie le comportement électrique. En vulgarisant un peu, vous savez que le carbone cherche à donner ses électrons, tandis que l’oxygène cherche à capter des électrons. Ainsi, le carbone et l’oxygène vont partager des électrons entre eux et former des liaisons. Comme les électrons sont occupés à faire des liaisons, ils ne sont plus libres et ne peuvent plus se déplacer. Les liaisons compliquent tout !.

Pour vous montrez que c’est très complexe, prenons l’exemple du carbone. On va regarder deux types de structures constitués seulement d’atomes de carbone. La première c’est le diamant qu’on reconnait à sa forme pyramidale sur l’image 4. La seconde est le graphite qui est en forme de feuillets collés les uns aux autres sur l’image 5. Dans chacun des cas, les électrons libres ne peuvent pas se déplacer, il n’y a pas de courant électrique possible, tous les deux sont des isolants.

Image 4 : Carbone diamant

Image 5 : Carbone grapphite

Par contre, si on branche les bornes de la pile dans le plan des feuillets comme indiqué dans l’image 6 ci-dessous, les électrons peuvent se déplacer dans le plan des feuillets. Il y a du courant, le carbone graphite est dans ce cas un conducteur.

Image 6 : Mouvement des électrons dans un circuit

Conclusion : Généralement on ne vous demandera pas le caractère isolant ou conducteur d’un matériau. Le carbone peut être à la fois un isolant ou un conducteur suivant sa structure et son orientation. On voit que définir le caractére isolant ou conducteur d’un matériau est très difficile, on n’attend pas cela de vous. Retenez simplement qu’un conducteur, c’est un matériau qui permet le transport des électrons et c’est l’inverse pour un isolant .

Image 7 : Mouvement des électrons dans un circuit

Dans le cas des matériaux qui conduisent le courant, on a ce que l’on appelle une résistance. Quand les électrons arrivent dans le matériau, ils rencontrent d’autres charges négatives (les couches électroniques externes des atomes spécifiques de ce matériau) or comme deux charges – se repoussent, ils sont déviés. Regardez l’image 7, vous comprendrez mieux. Les points bleus représentent les électrons libres, ils zigzaguent entre les noyaux dans le matériau, ils ne vont pas en ligne droite. La résistance est proportionnelle au nombre de zigzags que font les électrons

Question : Pourquoi dit-on que dans les circuits les fils n’ont pas de résistance ? Ils rencontrent moins d’obstacles ?

Non, ils rencontrent tout autant d’obstacles mais ils sont beaucoup moins déviés, on dit que la résistance des câbles est négligeable ou faible.

Une notion difficile à aborder car elle est abstraite. Commençons par faire une petite analogie pour essayer de comprendre.

Image 8 : Tension comment ça marche (Analogie hydraulique)

C’est pareil avec l’électricité, il faut que d’un côté, on ait un surplus d’électrons et de l’autre, un déficit d’électrons, c’est ce que l’on appelle différence de potentiel. Cela représente l’altitude entre les deux vases : comme le nombre d’électrons est très grand, on ne connaît pas l’altitude exacte mais en prenant la même référence (sur une des deux bornes par exemple), il est facile de déterminer la différence de potentiel en volt. Elle se mesure toujours entre deux points du circuit ! Une fois que l’on relie les deux côtés avec un matériau conducteur (comme quand on ouvre la vanne sur le schéma), la différence de potentiel va engendrer une tension : les électrons seront libres de circuler et rééquilibreront le système jusqu’à ce qu’il y ait autant d’électrons d’un côté que de l’autre.

Petite remarque pour les grands. Si on néglige la résistance interne du système (la pile..), la différence de potentiel et tension sont la même chose. Cette notion sera abordée en exercice. On mesure la tension en volt et entre deux points du circuit. Plus la différence d’électrons entre ces deux points (l’altitude) sera grande, plus la différence de potentiel et donc plus la tension sera grande. Plus d’électrons libres circuleront dans le circuit quand on y mettra un composant qui permet leurs passage (donc quand on ouvrira la vanne dans l’expérience ci-dessus), on augmentera ainsi i. (à méditer )

Force de pression équivaut à tension.

Petite remarque pour ceux qui connaitraient, on appelle aussi la pile la f.e.m: force électro motrice .

Question : Mais si les électrons se rééquilibrent, comment fait-on pour avoir du courant en permanence ?

Nous allons faire une experience de pensée pour y répondre, imaginer un tuyau qui relie deux lacs chacun à une altitude différente. Entre les deux, il existe une pompe qui prend de l’eau dans le lac du bas pour l’envoyer dans celui du haut. Ainsi, on maintient le lac du haut rempli et on évite que le lac du bas déborde. Maintenant, imaginer que la pompe soit une pile et que le tuyau soit un fil qui relie le plus au moins,vous venez de créer un circuit electrique .

Dans les piles, ce sont deux réactions chimiques qui ont lieu en même temps, on les appelle une réaction d’oxydo-réduction. L’une du côté – de la pile crée des électrons (c’est l’oxydation) et l’autre du côté + consomme autant d’électrons créés (c’est la réduction). Ces deux réactions combinées entretiennent le déplacement des électrons, c’est notre pompe . De cette manière, on maintient le déséquilibre et ainsi la différence de potentiel.

Récapitulatif :

R : caractérise le matériau et sa capacité à freiner les électrons

U : caractérise la force qui va pousser les électrons (due à la différence de potentiel)

i : caractérise la vitesse de déplacement des électrons dans le circuit

En 1826, Georg Simon Ohm publie les résultat d’une série d’experience. Dans ses espérience, Il branchait différents fils métalliques aux bornes de différentes piles. Pour chaque pile il messurait l’intensité du courant qui circulait dans les fils. Il observa que l’intensité du courant varié linéaiement avec la valeur de la tension appliquée aux bornes du fil.

La loi d’Ohm :

Question : Dans un circuit électrique composé d’une pile reliée à une résistance, que se passe-t-il si on double la longueur de la résistance ? Indication : relire le passage sur la résistance.