Le déplacement des électrons
La matière est constituée d’atomes, eux-mêmes constitués d’un noyau (protons et neutrons) et d’électrons qui gravitent autour de ce noyau.
Pour certains matériaux, les atomes comportent des électrons libres, qui peuvent se déplacer d’un atome à l’autre ; on dit que le matériau est conducteur, comme le cuivre par exemple. D’autres matériaux, comme la porcelaine, n’ont pas ces électrons libres, et sont isolants.
On sait mettre en mouvement ces électrons libres, par exemple en faisant bouger un aimant au voisinage d’un fil métallique, c’est la fameuse expérience de Faraday (1). La variation du champ magnétique génère dans le fil conducteur des déplacements d’électrons libres, qui vont sauter d’un atome à l’autre, et c’est l’ensemble de ces sauts qui constitue le courant électrique. Ce ne sont pas les mêmes électrons qui parcourent toute la longueur du fil métallique, mais une succession de sauts d’électrons d’atome en atome.
Au quotidien, on a construit des générateurs dans des centrales électriques, capables de générer des courants électriques très puissants distribués dans toute la France par les lignes électriques. Ci-contre dans la dynamo d’un vélo, la rotation de l’aimant crée un courant électrique.
Intensité I et différence de potentiel U
Comment peut-on caractériser un courant électrique ?
On utilise généralement l’analogie hydraulique ci-contre. La vitesse de l’eau à la sortie du tuyau augmente avec la hauteur d’eau, sa différence de potentiel. Le débit d’eau augmente avec cette vitesse, mais également avec le diamètre du tuyau, donc avec une moindre résistance à l’écoulement.
En termes électriques on dira que la vitesse des électrons dans un circuit augmente avec le potentiel électrique. Et que le débit de ces électrons augmente avec cette vitesse mais également avec une moindre résistance du circuit.
Le débit des électrons dans un circuit électrique correspond à l’intensité I du courant mesurée en Ampères. La vitesse des électrons croit avec la différence de potentiel U, aussi appelée voltage et mesurée en Volts. La résistance du circuit R est mesurée en Ohms.
Ces mesures sont reliées par une formule très simple : U = R x I qui indique bien que, pour une résistance de circuit donnée R, plus la différence de potentiel U est grande, plus l’intensité I (le débit des électrons) le sera également.
L’énergie transportée est proportionnelle au débit d’électrons mesuré dans le circuit électrique. Considérons le nombre d’électrons qui passent par seconde au droit d’une section S du fil. Il sera d’autant plus important que le voltage sera grand (que la vitesse des électrons sera grande), et que l’intensité du courant sera grande ( que le nombre d’électrons en mouvement sera grand). On peut faire une analogie avec le nombre d’automobiles qui sur une autoroute passent au droit d’un repère ; il sera d’autant plus important que la vitesse des voitures sera grande, mais aussi que leur nombre sera grand.
La puissance développée P, c’est-à-dire l’énergie par unité de temps, exprimée en Watts, s’obtient dès lors par la formule d’une grande utilité qui traduit cela : P = U x I .
Par exemple dans un circuit en 12 Volts, une lampe de puissance 60 Watts donnera un courant de 5 Ampères : 60 Watts = 12 Volts x 5 Ampères. Avec un circuit en 24 Volts, donc des électrons plus rapides, l’intensité sera de 2,5 Ampères. A puissance égale, des électrons plus rapides circuleront en moins grand nombre.
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- Voir le billet Electromagnétisme 1 – Une affaire d’unification