Différentes branches de la physique étudient les phénomènes liés à l'électricité :
L'objectif de ce cours est d'apporter les premiers éléments de compréhension sur l'électricité ainsi que d'introduire les grandeurs physiques qui seront utilisées plus tard pour faire une modélisation mathématique d'un circuit électrique.
Le phénomène est connu depuis l'antiquité (on doit d'ailleurs le mot électricité au mot grec êlektron (\( \eta \lambda \varepsilon \kappa \tau \rho o \nu\) ) mais on peut dater un tournant essentiel à son essor en \(1799\) lorsque l'Italien Alessandro Volta met au point la première " pile voltaïque" en empilant alternativement des disques de zinc et de cuivre séparés par un disque de feutre imbibé d'acide. Cette invention lui vaudra le titre de comte du Royaume décerné par l'Empereur des Français, Napoléon Bonaparte. Le Français André-Marie Ampère met au point la première machine de mesure de l'intensité d'un courant électrique en \(1821\) et invente le terme de " tension électrique"".
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(a) André Marie Ampère | (b) Pile voltaïque de A. Volta | (c) Alessandro Volta |
Les applications liées à l'utilisation de l'électricité sont légion, mais on peut résumer l'intérêt ce cette découverte par une citation de Michael Faraday. Lorsque le Chancelier de l’Échiquier britannique William Gladstone a demandé à Michael Faraday à quoi pourraient bien servir ses recherches sur l’électricité, le célèbre scientifique du XIX \(^\textrm{ème}\) siècle lui a répondu : « Un jour, cher monsieur, vous pourrez la taxer ! ».
La "fée électricité" permet le développement d'un nombre colossal de nouvelles technologies qui révolutionnent la vie quotidienne. Parmi elles, le moteur à courant continu inventé par Michael Faraday ( \( 1821\)), le télégraphe électrique (\(1838\)) mis au point par le Britannique Charles Wheatstone entre Londres et Birmingham, l'ampoule électrique conçue par l'Américain Thomas Edisson (\(1879\)), le moteur synchrone de Nikola Tesla (\(1888\)) ou encore le cinématographe inventé par les frères Lumière (\( 1895\)).
L'électricité est liée à un déplacement de porteurs de charges électriques sous l'effet de ce que l'on appelle une différence de " potentiels électriques".
Pour comprendre la nature des porteurs de charge, il est nécessaire de revenir à la structure de la matière et à celle de l'atome. Un atome, entité infinitésimale composant la matière qui nous entoure, est composé :
Un porteur de charge peut être de deux natures : il s'agit soit d'un électron, soit d'un ion (atome auquel on a arraché ou ajouté un ou plusieurs électrons et qui acquiert une charge électrique globale non nulle).
Du sel de table (de formule \( \mathrm{Na,Cl_{(s)}}\)) se dissout dans l'eau en formant des cations sodium \(\mathrm{Na^+}\) (charge \(+e\)) et des anions chlore \(\mathrm{Cl^-}\) (charge \(-e\)). L'eau salée est donc un milieu conducteur d'électricité.
On peut définir deux grandeurs pour caractériser les propriétés d'un courant électrique. La tension électrique et l'intensité du courant électrique.
La tension électrique, notée \(U\) (ou \(U_{AB}\)) est égale à la différence de potentiel entre deux bornes \(A\) et \(B\) d'un circuit : \(U_{AB}=V_A-V_B\). Elle se représente avec une flèche qui pointe vers le potentiel \(V_A\) à la borne \(A\).
L'unité d'une tension est le Volt (V) en hommage à A. Volta. Dans le système d'unités international, on a la décomposition suivante \(1\) V \(= 1\ \mathrm{kg.m^2.s^{-3}.A^{-1}}\).
L'intensité \(I\) du courant électrique est le nombre de charges \( \Delta q\) qui traversent une portion de circuit en un instant \( \Delta t\). On note alors $$I=\frac{\Delta q}{\Delta t}$$ On représente l'intensité \(I\) du courant électrique dans un fil conducteur à l'aide d'une flèche.
L'unité de l'intensité du courant électrique est l'Ampère (A), en hommage au Français A.M. Ampère. C'est l'une des sept unités de base du système international d'unités.
On peut donc dresser la tableau d'analogie suivant :
Circuit électrique | Circuit de billes |
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Fil conducteur (réseau de cations et électrons de cœur) | Rampe en bois |
Électron de conduction | Bille |
Tension électrique \(U_{AB}\) (différence de potentiels électrique) | Dénivelé \(h\) (différence d'altitude) |
Intensité \(I\) du courant électrique | Nombre \(N\) de billes qui traversent la surface bleue au niveau du point \(A\) dans un intervalle de temps \(\Delta t\). |
Interrupteur | Conducteur ohmique | Pile | LED | Moteur à courant continu |
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Un nœud est le point de concours d'au moins \(3\) branches.
Une branche est une portion de circuit électrique délimitée par deux nœuds.
Une maille est un chemin fermé dans un circuit électrique.
Les lois de Kirchhoff sont des propriétés physiques qui s'appliquent sur les circuits électriques. Ces lois portent le nom du physicien allemand Gustav Kirchhoff (ci-contre) qui les a établies en 1845. Les deux lois de Kirchhoff sont :
La loi des nœuds précise que "la somme algébrique des intensités des courants qui entrent par un nœud est égale à la somme algébrique des intensités des courants qui en sortent".
La loi des mailles stipule que "dans une maille d'un réseau électrique, la somme des tensions le long de cette maille est toujours nulle".
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Le multimètre est un appareil de mesure qui comporte entre autres un capteur de tensions électriques, appelé voltmètre et un capteur d'intensités de courants électriques, appelé ampèremètre. Le multimètre se présente de la façon suivante :
Les branchements au circuit électrique dépendent de ce que l'on cherche à mesurer :
Pour brancher un voltmètre aux bornes d'un dipôle (générateur, conducteur ohmique, LED, ampoule, moteur, etc), il faut relier la borne "V \(\Omega\)" et la borne "COM" à chaque borne du dipôle. De fait, le dipôle et le voltmètre sont branchés en parallèle.
Pour brancher un ampèremètre dans une branche, il faut insérer l'ampèremètre en série avec les autres dipôles, en reliant la borne "\(\mathrm{A}\)" ou "\(\mathrm{mA}\)" d'un côté et la borne "COM" de l'autre.
Les représentations schématiques des branchements du voltmètre et de l'ampèremètre sont les suivantes :
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(a) Branchement d'un voltmètre aux bornes d'un conducteur ohmique | (b) Branchement d'un ampèremètre en série avec un conducteur ohmique |