Courant électrique

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Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau conducteur. Ces déplacements sont imposés par l'action de la force électromagnétique, dont l'interaction avec la matière est le fondement de l'électricité.

Généralités

Historiquement, au début de l'étude de la conduction de l'électricité, les scientifiques ont pensé que les particules qui se déplaçaient dans les métaux étaient chargées positivement et ont défini en conséquence un sens conventionnel du courant comme étant le sens de déplacement des charges positives. Plus tard 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.

En effet, dans un conducteur métallique, les particules chargées et mobiles sont des électrons peu liés aux atomes auxquels ils appartiennent (on dit que ces électrons se trouvent dans la bande de conduction). On peut considérer qu'ils se déplacent facilement dans le matériau métallique. Lorsqu'une différence de potentiel est appliquée aux extrémités du conducteur, elle provoque le déplacement de ces électrons, ce que l'on appelle courant électrique. Le réseau des atomes contient des ions positifs : les atomes qui ont perdu un électron. Mais ces derniers, prisonniers du réseau par les liaisons métalliques, sont quasiment immobiles et ne participent que de manière infime à la circulation du courant.

En revanche, dans les électrolytes, solutions contenant simultanément des ions chargés positivement et des ions chargés négativement, toutes les particules chargées participent à la circulation du courant. Les charges positives circulent dans le sens conventionnel et les charges négatives dans l'autre sens.

Les matériaux qui possèdent beaucoup de porteurs de charge libres et qui sont donc facilement traversés par un courant électrique sont dits conducteurs, ceux qui n'en possèdent pas ou très peu sont dits isolants ou diélectriques.

Par exemple : l'air est un excellent isolant, mais au-delà d'un certain seuil, lorsque le champ électrique est trop grand, les électrons sont arrachés aux atomes, et ces derniers deviennent des particules ionisées ou ions. L'air se transforme ainsi localement en un plasma. Le plasma étant un conducteur parfait, il laisse passer le courant électrique : de l'éclair à l'étincelle.

Certains dispositifs peuvent laisser passer le courant électrique dans un sens, mais pas dans l'autre. C'est le cas des diodes. Celles-ci sont réalisées soit avec des jonctions de semi-conducteurs dopés différemment (jonction PN ou jonction métal semi-conducteur), soit avec des tubes à vide.

Utilisation

La propagation de l'influx électrique peut servir à son utilisation à distance comme source d'énergie, comme vecteur énergétique. Ce fut sa principale utilisation au début de l'ère industrielle.

Elle peut aussi servir aux transmissions d'informations, depuis le simple télégraphe, jusqu'aux systèmes modernes de traitement et d'échange d'informations (ordinateur, informatique). Dans ce cas, une ou plusieurs caractéristiques du courant électrique sont contrôlées et modulées par l'émetteur de l'information pour construire un signal électrique. Dans le cas du télégraphe, les seules présence et absence (suivant un rythme codé) du courant électrique transmettaient l'information.

Le XX^e siècle a vu se développer l'utilisation de nombreux autres phénomènes pour contrôler le courant électrique qui sont très largement utilisés en électronique. Grâce à eux, il est possible de traiter le courant électrique (mais aussi les ondes électromagnétiques) comme un vecteur d'information, un signal électrique (ou électromagnétique) à l'échelle microscopique.

Analogie avec un écoulement fluide

Une analogie intéressante pour comprendre de façon simple les notions d'intensité du courant et de différence de potentiel concerne l'écoulement d'un fleuve. Celui-ci s'écoule d'amont vers aval avec une quantité d'eau bien définie et un dénivelé variable en fonction du terrain. Supposons que ce fleuve ait une largeur fixe de 20 mètres, une profondeur fixe de 3 mètres et que l'eau soit au plus haut niveau, la quantité d'eau à un instant donné et dans une longueur du fleuve donnée est quantifiable (1 mètre linéaire de fleuve contient 60m³ d'eau). La quantité d'eau est l'analogue de la quantité de charge électrique.

Le dénivelé, différence d'altitude entre le point haut et le point bas du fleuve, peut être assimilé à la différence de potentiel (ou tension), le débit du fleuve à l'intensité du courant et la taille du fleuve à la section d'un câble électrique. De la même façon que c'est le dénivelé qui met l'eau en mouvement, c'est la différence de potentiel qui met les électrons en mouvement. En résumé, l'intensité est analogue au débit du fleuve, la différence de potentiel étant analogue au dénivelé.

Sauf que l'augmentation du débit est due à l'augmentation de la vitesse de l'eau. Dans un circuit électrique, la vitesse de propagation des charges est toujours la même. Peut-être qu'une analogie avec un aimant attirant plus ou moins de particules de fer serait aussi judicieuse.

Types de courant

• Courant continu pour la plupart des utilisations dont la source est un [générateur] de type pile ou batterie d'accumulateurs.
• Courant alternatif généralement sinusoïdal mais peut aussi être carré, par exemple en électronique

Sens du courant électrique

Par convention, dans un circuit électrique en boucle simple et en courant continu, le courant électrique sort du générateur par la borne positive (+), traverse le circuit électrique et revient au générateur par sa borne négative (-).

C'est ce qu'on appelle le sens conventionnel du courant électrique, il peut être différent du sens réel de déplacement des porteurs de charge.

Ainsi lorsque les porteurs de charge sont des électrons (cas le plus fréquent), ou des anions leur mouvement effectif est du - vers le +, sens de déplacement des particules chargées négativement donc attirées par le positif.

Au contraire cations et trous d'électrons se déplacent dans le sens conventionnel du courant.

Cette convention est dite « récepteur », car elle décrit ce qui se passe dans les câbles d’alimentation et les appareils.

Dans les générateurs électriques

À l'intérieur des générateurs électriques où l'on crée le potentiel qui permet aux charges de se mettre en mouvement, les électrons se déplacent de la borne positive vers la borne négative. Ceci est rendu possible grâce à la conversion d'une autre forme d'énergie (ex. : l'énergie électrochimique dans le cas d'une pile).

C'est la convention dite « générateur ».

Grandeurs physiques

Intensité du courant

L'intensité du courant électrique (parfois appelée "ampérage" dans le langage courant), souvent désigné elliptiquement courant, est un scalaire décrivant le courant à l'échelle globale, notamment dans les circuits. Elle est définie comme le débit de charge électrique à travers une surface donnée, notamment la section d'un fil électrique :

où i est l'intensité du courant, q la charge électrique et t le temps. Dans le système international d'unités, l'intensité du courant se mesure en ampères, une unité de base dont le symbole normalisé est A. Un ampère correspond à un débit de charge d'un coulomb par seconde.

L'intensité se mesure à l'aide d'un ampèremètre qui doit être branché en série dans le circuit.

Densité de courant

En tout point d'une surface S, se définit la densité de courant j et le vecteur surface élémentaire dS.

La densité de courant est un vecteur décrivant le courant électrique à l'échelle locale. Sa direction indique celle du déplacement des porteurs de charge (mais son sens peut être opposé pour des porteurs négatifs) et sa norme correspond à l'intensité du courant par unité de surface. Elle est reliée au courant électrique par :

où i est l'intensité du courant, S une surface, j la densité de courant et dS le vecteur surface élémentaire. Dans le système international d'unités, la densité de courant se mesure en ampères par mètre carré (A•m^-2).

Vitesse de propagation

La propagation de l'influx électrique se fait à une vitesse voisine de celle de la lumière (aux effets capacitifs près), mais ce n'est pas pour autant la vitesse des électrons qui le constituent. Ceux-ci voyagent plus modestement à quelques dixièmes de millimètres par seconde, en fonction de l'intensité du courant et de la section du conducteur.

Notes et références

De Dufay à Ampère, Des deux espèces d'électricité aux deux sens du courant électrique

Voir aussi

• Électricité ~ Électronique
• Courants porteurs en ligne.
• Densité de courant

Bibliographie

• Gérard Borvon, Histoire de l'électricité, de l'ambre à l'électron, Vuibert 2009.

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