Le courant

Dès que l'on met en marche notre engin (imaginons que c'est une voiture), la zPompe va fonctionner et va envoyer le carburant vers le moteur. En faisant circuler le carburant à travers le tuyau, elle crée ce que l'on appelle un courant (représenté par la flèche en rouge). En terme technique, on dit qu'elle débite un courant.
Ce courant, c'est simplement un déplacement de carburant. Plus la quantité de carburant déplacé est grande et plus le carburant se déplacera vite, plus le courant sera intense.

Ce qui va donc être déplacé par la zPompe, c'est du carburant.

Mais dans le cas d'un circuit électronique qui fonctionne non pas avec du carburant mais avec de l'électricité, qu'est-ce qui va se déplacer ?

Ce sont des charges électriques.
Charges électriques ? Ça mérite une petite explication.

Les charges électriques

Pour définir correctement le courant électrique, il faut d'abord savoir ce qu'est une charge électrique.

Citation : Wikipédia

Comme la masse, la charge électrique est une propriété intrinsèque de la matière, qui permet d'expliquer l'origine de certains phénomènes. Personne n'a jamais observé directement une charge électrique, mais les scientifiques ont remarqué des similitudes de comportement de certaines particules : ils ont donc postulé que ces particules avaient des caractéristiques en commun, dont les propriétés coïncidaient avec leurs observations.

En résumé, la charge électrique est une grandeur physique qu'on peut donner à un objet et qui peut être mesurée par un nombre.
Ce nombre peut :

• être supérieur à 0 : on dit alors que la charge de l'objet est positive (bonhomme avec le +) ;
• être inférieur à 0 : on dit alors que la charge de l'objet est négative (bonhomme avec le -) ;
• être égal à 0 : on dit alors que la charge de l'objet est nulle (bonhomme avec le 0).

Cette charge va influencer la façon dont les objets autour vont se déplacer. Un objet qui possède une charge électrique va agir sur tout objet possédant lui aussi une charge électrique et va l'attirer ou le repousser. Par exemple, l'électricité statique est due à ces charges électriques.

La façon dont les charges réagissent entre elles est assez simple à décrire. Avec mon talentueux génie et mon adorable Paint.NET, je vous ai concocté une suite d'images pour lesquelles vous allez vous régaler !

• 
  Deux charges positives vont se repousser.

• 
  Deux charges négatives vont se repousser.

• 
  Une charge positive va attirer une charge négative et inversement.

• 
  Les charges nulles ne sont pas du tout attirées ni repoussées. Et inversement, elles n'attirent ni ne repoussent les autres charges. En clair, elles ne font rien. On peut donc les laisser de côté et ne plus s'en soucier.
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Ainsi, une charge va avoir tendance à dévier ou accélérer toute particule qui passe à proximité. La zone dans laquelle une charge électrique va agir sur les autres charges de passage s'appelle un champ électrique.

Maintenant, on sait ce qui se déplace dans un circuit. Avec la zPompe, c’était du carburant, en électronique, ce sont nos charges électriques. On peut maintenant définir correctement ce qu'est un courant :

Un courant électrique est un déplacement ordonné de charges électriques.

Vous remarquerez que j'ai utilisé le mot ordonné dans ma définition du dessus. Cela signifie une chose : des charges qui se déplacent n'importe comment ne forment pas un courant. Pour mériter le nom de courant, il faut que toutes les charges se déplacent dans le même sens et dans la même direction.

Dès qu'il y a une ou plusieurs charges électriques qui se déplacent dans le même sens et la même direction, il y a création d'un courant électrique.

La notion de conductibilité

Tous les matériaux ne se comportent pas de la même façon en présence d'un courant électrique. Leur comportement diffère en fonction d'un paramètre que l'on appelle la conductibilité :

La conductibilité, c'est la capacité qu'ont les matériaux à se faire traverser par un courant électrique.

La conductibilité va définir ce qui se passe quand on envoie un courant dans un matériau : est-ce que les charges électriques vont pouvoir traverser le matériau facilement ou pas ?

Du point de vue de la conductibilité, il existe quatre grandes familles de matériaux :

Famille de matériaux	Propriétés
Les isolants	Conductibilité nulle. Le courant ne passe pas à travers ces matériaux. Citons par exemple le plastique ou le verre.
Les semi-conducteurs	Conductibilité faible, mais variable suivant la situation. Ils ne se laissent pas traverser facilement par un courant, sauf dans certaines situations. Là encore, tout dépend de certains paramètres. Par exemple, certains sont complètement isolants, mais laissent passer le courant quand on les éclaire ou quand on les chauffe. Citons quelques exemples : le silicium ou le germanium.
Les conducteurs métalliques	Conductibilité forte. Ils se laissent traverser par le courant quelles que soient les circonstances. Le seul problème est qu'une partie de l'énergie des charges électriques du courant va se dissiper dans le métal sous forme de chaleur. Citons le cuivre, l'aluminium, l'or, le fer… Tous les métaux en somme.
Les supraconducteurs	Conductibilité infinie. Ils se laissent traverser par un courant sans opposer la moindre résistance. Un courant qui rentre dans le matériau ressortira sans aucune perte : pas de création de chaleur. Enfin, ce n'est vrai qu'en théorie : dans la réalité, un supraconducteur possède toujours quelques impuretés qui seront la cause de pertes, aussi infimes soient-elles, par effet Joule (chaleur).

Dans les circuits électroniques, on utilise aussi bien des semi-conducteurs que des conducteurs métalliques. Sur un montage électronique, on utilise aussi des isolants.

Pourquoi n'a-t-on pas de supraconducteurs ?

Eh bien parce que les supraconducteurs sont vraiment très chers et qu'un matériau n'est supraconducteur qu'à de très basses températures proches du zéro absolu (non, pas Zozor ! ) qui vaut 0K (zéro Kelvin). En Celsius, cela donne -273,15^oC. Ils ne sont donc utilisés que dans des conditions extrêmes (c'est le cas de le dire), souvent pour la recherche scientifique.

Sens du courant

Tout d'abord, un courant n'apparaît pas comme ça, il faut fatalement quelque chose qui va influencer les charges électriques de façon à les déplacer. Ce quelque chose, on l'appelle un générateur électrique. Son rôle : créer un courant dans un circuit.

Dans notre analogie, c'est la zPompe qui va pomper le carburant et qui va l'envoyer dans le circuit. Un générateur électrique agit de la même façon, mais avec des charges électriques. Bon, ce n'est pas exactement ça, mais si on a le temps, on verra comment fonctionne un générateur électrique (il ne contient pas de pompe à l'intérieur).

Dans l'exemple qui va suivre, notre générateur sera une pile électrique qui possède deux bornes : une positive (« + ») et une négative (« - »). Ces bornes sont un simple morceau de conducteur sur lequel il y a un léger déséquilibre de charges :

• la borne « + » contient des charges positives en excès (en réalité, elle manque de charges négatives, mais quoi qu'il en soit, cette borne aura une charge positive) ;
• la borne « - » contient un excès de charges négatives.

Prenons un exemple avec ce schéma simplissime :

Attention, le fait de relier les deux bornes d'une pile (ou d'un générateur en général) par un fil va créer ce que l'on appelle un court-circuit. Il en résulte une décharge ultra rapide de la pile et un échauffement de cette dernière et du fil. Donc, en pratique, on ne le fera jamais (à une exception près pour le transformateur, nous aurons certainement l'occasion de le revoir).

Figure 3 − Pile dont les bornes sont reliées par un fil

Si l'on relie ces deux bornes par un fil conducteur, les charges d'une des deux bornes vont s'attirer fortement et vont se déplacer dans le fil pour aller rejoindre l'autre borne.

Mais dans quel sens ? De quelle borne vers quelle borne ?

Eh bien… ça dépend. Ça dépend du matériau utilisé pour fabriquer le fil.

Sens conventionnel du courant

Afin d'éviter toute complication, les scientifiques du monde entier se sont réunis il y a longtemps et ont défini des lois (ou plutôt des conventions) qu'il faut respecter, le but étant d'éviter toute confusion entre scientifiques, amateurs, techniciens… et d'imposer un système bien cadré. Je vais vous donner l'une d'entre elles à propos du courant.

Le sens conventionnel du courant est celui que l'on donne au sens de circulation du courant. C'est-à-dire que quel que soit son sens (qu'il parte du pôle « + » de la pile pour aller au pôle « - », ou inversement), par convention, il ne sera fléché et défini que dans un sens unique. Cette convention impose que le courant en provenance d'un générateur (la pile dans notre exemple) sorte obligatoirement de la borne positive de ce dernier, pour aller rejoindre sa borne négative.

En réalité, plusieurs études scientifiques ont démontré que le sens du courant était, dans un circuit électrique, orienté du pôle négatif du générateur vers son pôle positif. Mais pour nous, par convention, ce sera l'inverse.

Reprenons notre exemple. Le courant qui parcourt le fil circule du pôle « + » de la pile au pôle « - ». On flèche donc le courant dans ce sens-là :

Figure 4 − Sens conventionnel du courant électrique
à travers un matériau métallique

Figure 5 : Représentation d'un Atome et de
son champ électronique

Courant dans un métal

Dans un fil ou dans un câble métallique, le courant électrique peut circuler. En effet, le métal est un ensemble d'atomes (particules élémentaires) liés bout à bout. Ces atomes sont constitués :

• d'un noyau formé de particules nommées protons, chargées positivement, et de neutrons de charge nulle ;
• d'un nuage électronique composé d'électrons qui portent une charge électrique négative.

Quel que soit le matériau, les électrons (de charge négative) vont attirer et se faire attirer par les protons. Résultat : les électrons et les protons vont être si fortement attirés (comme des aimants) qu'ils vont rester tout le temps à une distance très petite les uns des autres. D'ailleurs, il faudra faire beaucoup d'efforts pour les éloigner.
C'est ainsi qu'est formé un atome.

Mais dans les métaux, tous les électrons ne sont pas aussi fortement attirés par les protons. Certains vont tranquillement se promener dans tout le matériau, faiblement attirés par les protons du matériau et vont se déplacer sous l'effet de la température.
Faiblement influencés par les noyaux, il est facile de les attirer par différents moyens et de les faire se déplacer de façon ordonnée de façon à créer un courant. Ce sont des électrons libres.

Dans un métal, le courant est un déplacement de ces électrons libres. Les autres électrons ne bougent quasiment pas et s'éloignent rarement de quelques milliardièmes de mètre de leur noyau. Dans ce même métal, le courant se déplace le plus souvent de la borne « - », remplie d’électrons, vers la borne « + ». Mais cela n'est vrai que dans les métaux.

Intensité du courant

Attention, ne négligez pas le point que je vais présenter, vous risqueriez d'être perdu pour la suite du cours !

Un courant qui circule (le carburant dans un tuyau dans notre analogie) va pouvoir déplacer plus ou moins de charges en un temps donné. Pour la zPompe, on parle de son débit : c'est la quantité de carburant qu'elle va déplacer en une seule seconde pour alimenter le moteur.

Pour un générateur électrique, on a quelque chose d'équivalent. Il va mettre en mouvement un grand nombre de charges électriques. Ces charges iront plus ou moins vite, cela dépendra de la vitesse à laquelle elles seront « propulsées ». Suivant le nombre de charges mises en mouvement et leur vitesse, on déplacera une plus ou moins grande quantité de charges électriques dans le circuit en un temps donné.

Ce débit de charges, c'est l'intensité du courant électrique.

Attention, il ne faut pas confondre courant avec intensité ! Le courant est le déplacement de particules, l'intensité est le débit auquel on déplace ces particules.

Unité

Pour un fluide, tel notre carburant, on mesure son débit (préférez son intensité) en m^3/s (mètre cube par seconde). Pour mesurer l'intensité du courant électrique, on utilise une unité bien particulière qui se nomme l'ampère, du nom de son inventeur André-Marie Ampère. On note cette unité avec la lettre A (en majuscule, toujours !).

Mesure de l'intensité

Bien sûr, tout comme les fluides, on peut mesurer la vitesse d'un courant électrique. Pour ce faire, on utilise un ampèremètre qui est un appareil spécialisé dans la mesure de l'intensité du courant.

Ordres de grandeur

Un ordre de grandeur est une fourchette de valeurs. Il est employé pour communiquer sur des grandeurs allant de l'infiniment petit à l'infiniment grand. Voici un tableau récapitulatif des ordres de grandeur de l'ampère utilisés en électronique :

Nom	Symbole	Puissance de 10	Commentaire
Ampère	A	10^0	Peu utilisé
Milliampère	mA	10^-^3	Très utilisé
Microampère	µA	10^-^6	Souvent utilisé
Nanoampère	nA	10^-^9	Peu utilisé
Picoampère	pA	10^-^1^2	Rarement utilisé

Représentation

Sur un schéma électronique, la représentation du courant se fait par une flèche orientée dans le sens théorique de circulation du courant. Reprenons notre ampoule alimentée par la pile :

Figure 6 − Ampoule reliée aux bornes d'une pile

La flèche doit être orientée « sortante » à la sortie d'un dipôle et « entrante » à son entrée. Elle montre donc le sens conventionnel de circulation du courant, mais pas forcément son sens réel !

Conservation de l'électricité

Maintenant, il faut savoir une chose importante : il ne peut pas y avoir création ou disparition de charges électriques dans un circuit électrique. C'est une loi physique très importante qui nous le dit et qui est nommée « la conservation de la charge électrique ». Et comme le dit si bien notre cher ami Antoine Lavoisier : « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme ! ».

On peut en déduire facilement que la somme des charges électriques sortant d'un générateur et parcourant un circuit électrique est égale à la somme des charges revenues à l'entrée du générateur. En clair, aucune charge n'a disparu en chemin.

Comprenez bien que si le carburant arrive au moteur avec une quantité inférieure à celle partant du réservoir, c'est qu'il y a une fuite ! Il en est de même avec un courant. Ce genre de fuite arrive de temps en temps, il faut donc la repérer puis la réparer.

Les paragraphes suivants ne sont pas nécessaires à la compréhension du cours. Ils ne sont là que pour ceux que cela intéresse. Vous pouvez donc vous rendre directement à la sous-partie « La tension ». Bien évidemment, libre à vous de revenir lire ce petit bout de chapitre plus tard.

Notions avancées : l'intensité, ça se calcule !

Eh oui, on trouve une formule pour tout ! Même en amour. Oui, oui !

Voyons comment cela se présente. Je vais vous expliquer plus précisément la nature du courant électrique. Pour cela, nous avons besoin de conditions.

Soit un courant constant et une quantité d'électricité qui parcourt une section d'un fil électrique. La formule qui suit permet de savoir quelle est la quantité de charges électriques qui ont circulé dans ce conducteur pendant une seconde :

I = \frac{Q}{T}

Explications

• I : c'est l'intensité, en ampère.
• T : c'est le temps, en seconde.
• Q : c'est la charge électrique d'un électron, exprimée en coulomb.

Pour comprendre, entrons au cœur de la matière qui constitue chaque être vivant et non-vivant et parlons d'atomes. Nous l'avons vu, le noyau est le centre de l'atome, c'est autour de lui que gravitent les électrons. Ce noyau est composé de protons qui sont chargés positivement et de neutrons qui eux sont neutres, d'où leur nom !

La charge électrique d'un seul proton vaut 1,67.10^{-19} coulomb.

La charge électrique d'un seul électron vaut -1,67.10^{-19} coulomb.

Un atome « normal » a autant de protons que d’électrons. En additionnant la somme de toutes les charges de l'atome, on trouve zéro (essayez…). Nous en déduisons que la charge électrique d'un atome est nulle ; on dit qu'il est électriquement neutre.

Calcul

Revenons-en à la formule I = \frac{Q}{T}

La quantité Q se mesure en coulomb, en hommage à Christophe à Charles-Augustin de Coulomb.

Si l'on veut connaître la quantité d'électrons qui est passée dans une section de fil électrique pendant une seconde, il va falloir modifier légèrement la formule de façon à donner ceci : Q = I imes T

Calculons la quantité d'électrons qui ont parcouru la section d'un fil électrique pendant une seconde et avec une intensité du courant égale à 1 ampère :

Q = I imes T(Q = 1~ ampere imes 1~ seconde)Q = 1 imes 1Q = 1~ coulomb

Nous savons à présent que la quantité de ces électrons est de 1 coulomb. Pour connaître le nombre d'électrons que cela représente, il faut réaliser un deuxième calcul. Je divise donc la quantité d'électrons par la valeur absolue de la charge d'un électron, ce qui nous donnera précisément le nombre d'électrons recherché.

Nombre d'électrons = \frac{1~ coulomb}{|-1,67.10^{-19}|}
Nombre d'électrons = 5,988.10^{18} \'electrons

Le résultat est impressionnant ! Le nombre d'électrons qui ont parcouru la section du fil électrique pendant une seconde, et ce avec une intensité du courant égale à 1 ampère, est de quasiment 6 000 000 000 000 000 000 (soit six milliards de milliards d'électrons en UNE seconde) ! Autant dire que ça cogite dans un fil électrique ! Alors, imaginez le nombre que cela représente avec une prise électrique de 16A !

Relation

Nous avons vu qu'il y avait 1 coulomb dans une section d'un fil électrique lorsqu'il y a une intensité de 1 ampère et ce pendant une seconde. Donc en une heure, combien y aura-t-il de coulombs ?

Réponse : 3 600 coulombs. Oui, car il y a 3 600 secondes dans une heure. Il y a donc 3 600C à 1A pendant une heure.

3 600 coulombs = 1 ampère par heure, écrit de cette façon : 3 600C = 1Ah

On s'arrête là avec les notions avancées car au-delà, l'utilité est moindre.