vendredi 21 juin 2013

Courant électrique

Courant électrique

 

 Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique (électrons).

I. 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.
L'air est un bon isolant, mais au-delà d'un certain seuil, quand le champ électrique est trop grand, les électrons sont arrachés aux atomes, qui deviennent des particules ionisées ou ions, et l'air devient 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 qui sont réalisées à l'aide de jonctions de semi-conducteurs dopés différemment : jonction PN ou jonction métal semi-conducteur.

  2. Types de courant

  • Courant continu
  • Courant alternatif
    • Courant sinusoïdal

    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 charges.
    Ainsi lorsque les porteurs de charges sont des électrons (cas le plus fréquent), ou des anions leur mouvement effectif est du - vers le +, sens de déplacement des particules chargés négativement donc attirés 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 ".

    Intensité du courant (I)

    L'intensité du courant électrique en un point du circuit correspond au débit de la charge passant dans le conducteur en ce point.
    i={dq \over dt}
    q en coulombs et t en secondes.
    L'intensité i du courant électrique se mesure en ampères (unité SI) dont le symbole normalisé est A.
    L'intensité se mesure à l'aide d'un ampèremètre qui doit être branché en série. Sa borne " com " doit être reliée à la borne " - " du générateur.

    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 millimètres ou centimètres par seconde, en fonction de l'intensité du courant et de la section du conducteur.

    Utilisation du courant

    La propagation de l'influx électrique peut servir à son utilisation à distance comme source d'énergie. 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 XXe siècle a vu se développer l'utilisation de nombreux autres phénomènes possibles 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'informations, un signal électrique (ou électromagnétique) à l'échelle microscopique.

    1. Courant continu



    Le courant continu (CC), par opposition au courant alternatif, est un courant électrique unidirectionnel : le courant circule à chaque instant dans le même sens, le déplacement des électrons se fait toujours dans le même sens.
    Ces courants sont produits par des générateurs délivrant des tensions également continues

    Le terme de courant continu recouvre plusieurs sens :

  • Courant constant : le courant est totalement constant en direction et en intensité au cours du temps. Les courants de ce type sont parfois appelés courants parfaitement continus
  • Courant continu lissé : c'est un courant qui s'approche du courant constant, mais qui conserve une ondulation.
  • Courant variable unidirectionnel C'est un courant qui ne change pas de sens mais dont la tension et donc l'intensité varie au cours du temps

2. Courant alternatif

 

Le courant alternatif est un courant électrique qui change de sens.
Ce courant alternatif est dit périodique s'il change régulièrement et périodiquement de sens.
Un courant alternatif périodique est caractérisé par sa fréquence, mesurée en hertz (Hz). C'est le nombre d' " aller-retours " qu'effectue le courant électrique en une seconde. Un courant alternatif périodique de 50 Hz effectue 50 " aller-retours " par seconde, c'est-à-dire qu'il change 100 fois (50 allers et 50 retours) de sens par seconde.
La forme la plus utilisée de courant alternatif est le courant sinusoïdal, essentiellement pour la distribution commerciale de l'énergie électrique.
La fréquence du courant électrique distribué par les réseaux aux particuliers est généralement de 50 Hz en Europe et 60 Hz en Amérique du Nord.
On doit distinguer :
  • Les courants purement alternatifs dont la valeur moyenne (composante continue) est nulle, qui peuvent alimenter un transformateur sans danger.
  • Les courant alternatifs à composante continue non nulle qui ne peuvent en aucun cas alimenter un transformateur

Avantages

Contrairement au courant continu, le courant purement alternatif peut voir ses caractéristiques (tension/courant) modifiées par un transformateur à enroulements.


Grâce au transformateur :
  • Le courant transporté par des lignes à haute tension subit des pertes par effet Joule beaucoup plus faibles. En divisant simplement par 10 l'intensité du courant transporté, on divise par 100 les pertes dues à la résistance des câbles électriques, la puissance dissipée dans une résistance étant proportionnelle au carré de l'intensité du courant. (P = RI²)
  • À puissance constante, on peut réduire fortement l'intensité d'un courant alternatif en augmentant sa tension.
  • On abaisse ensuite la tension afin de fournir une alimentation en basse tension près du lieu de distribution, afin de pouvoir l'utiliser à des fins domestiques (attention le danger est bien réel, même en basse tension).

Les courants alternatifs sinusoïdaux

Un courant alternatif sinusoïdal est un signal sinusoïdal de grandeur homogène à un courant (exprimé en ampères). De façon stricte, sa composante continue doit être nulle pour le qualifier d'alternatif, la sinusoïde aura donc une valeur moyenne de 0.
  • Explication d'un point de vue mathématique
Il a donc une équation du type i(t) = A . \sin(\frac{2 \pi . t}{T} + \varphi) , ou i(t) = A . \sin(2 \pi . f . t + \varphi) , puisque f = \frac{1}{T}, avec A \, l'amplitude du signal, T \, la période du signal exprimée en secondes. , et \varphi \, le déphasage, ou phase à l'origine, exprimée en radians.
Généralement on résume cette équation à s(t) = A . \sin (\omega.t + \varphi), avec \omega \, la pulsation (exprimée en rad/s) qui correspond donc à notre 2.\pi.f \, ou \frac{2.\pi}{T}.
De façon stricte, un courant alternatif sinusoïdal est autant de temps (T/2) positif que négatif, ce qui implique que sa composante continue soit nulle. La sinusoïde oscillera donc de façon équilibrée autour de 0, impliquant une valeur moyenne (mathématiquement) nulle, et une valeur efficace (électriquement) de \frac{A}{\sqrt{2}}.
Voici un exemple de signaux sinusoïdaux.
Image:Sinus en opos phase.gif
On dit de ces deux signaux qu'ils sont identiques mais déphasés de π. Entre leurs deux équations, il y a donc seul le déphasage (ou phase à l'origine) qui diffère.
En réalité, l'important est que la différence des phases à l'origine vaut \varphi_{bleu} - \varphi_{rouge} = z \pi avec z \, un entier impair, puisqu'un tel déphasage (π radians correspondant à 180°) correspond à un décalage d'un demi-tour sur le cercle trigonométrique. On associe donc à un signal, la valeur opposée de l'autre, car sin(x + z.π) = − sin(x). Quand le signal bleu est au maximum, le rouge est au minimum, etc. On remarque donc que les deux signaux sont opposés, c’est-à-dire symétriques par l'axe des abscisses.

Monophasé

 

Ce courant est le plus utilisé. Il utilise deux cables : la phase et le neutre (généralement relié à la terre au dernier transformateur, comme le neutre du courant triphasé).

Triphasé

 

Seuls les alternateurs polyphasés sont susceptibles de fournir une puissance élevée. C'est le triphasé qui est utilisé pour la fabrication industrielle de l'électricité. L’alimentation électrique triphasée utilise trois câbles pour chacune des trois phases et un câble pour le neutre. Chacun des câbles est parcouru par un courant alternatif sinusoïdal déphasé de 2π/3 radians (120 degrés) par rapport aux deux autres câbles. Le neutre est généralement relié à la terre à l'origine, donc pas de câble de transport, il est simplement recréé par un couplage en étoile des enroulements triphasés secondaires du transformateur de distribution Basse Tension (230/400 volts). Ce neutre est de nouveau relié à une prise de terre aux endroits où cela est nécessaire.
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