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 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.
Charges électriques ?
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 :
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 ! 
- 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.text cachétext caché
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 :
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.
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
à travers un matériau métallique
Figure 5 : Représentation d'un Atome et de
son champ électronique
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.
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.
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.
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.
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
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.