Le courant électrique, c’est quoi ?

Avant de parler du courant électrique nous allons essayer de comprendre qu’est ce que l’électricité ? Pour cela nous devons reparler de vieilles connaissances, qui nous entourent, qui nous constituent, revenir aux fondements de la matière. Aucune connaissance particulière préalable n’est requise pour  effectuer ce « voyage ».

La matière

Si vous vous trouvez que je suis trop rapide ou succinct, vous avez un article sur la matière, un autre sur les atomes et encore sur les liaisons chimiques, mais normalement si vous avez bien dormi et que vous me faites confiance  😯 (bien que je vous le déconseille, contrôlez toujours ce que l’on vous raconte 😉 ), poursuivez la lecture de cet article.

La matière est formée de particules, celles que les physiciens du CERN poursuivent, pas le simple morceau de matière. Ces particules élémentaires peuvent, lorsque certaines conditions sont présentent,  se combiner pour former un atome. Ce sera notre élément de base. Il est constitué de 3 entités : électrons, protons et neutrons. Nous ne parlerons donc que d’électrons et des combinaisons de particules appelées protons et neutrons.

Vous avez le tuba et le masque à portée de main ? Ok, alors on part pour cette exploration !

L’atome

En son centre vous avez un amas appelé le noyau constitués de protons et de neutrons. Le nombre de protons peut varier de 1 à 118, ce qui correspond à toute la matière décrite dans le tableau périodique des éléments (d’en haut gauche à en bas droite), de toute la matière connue en fait.

Le nombre de neutrons lui peut varier de 0 à 176 suivant le nombre de protons. Ne me demandez pas pourquoi, c’est comme cela, on le constate. Le dernier élément constituant notre atome est l’électron qui lui il virevolte autour du centre (le noyau). Pour chaque atome, vous avez le même nombre d’électrons que de protons. Un petit schéma, c’est une représentation symbolique pas la réalité d’un atome de Sélénium (pris au hasard!) pour « visualiser » la bête :

Le noyau de l’atome est le disque bleu foncé, au centre, noté Se. Il contient les protons (34) et les neutrons (44 pour le Sélénium le plus répandu). Et les 34 électrons de l’atome ? Ces derniers sont répartis sur des zones, on parle de couches (anneaux bleus clairs). Une simple addition de vérification : 2+8+18+6=34 le compte y est !!

Voilà pour le décor, maintenant parlons un peu des acteurs.

L’électron

Cette particule, l’électron, est un « animal » étrange, on connaît ses caractéristiques, comment elle réagit à ceci, à cela mais pas le pourquoi ! Et encore moins de quoi elle est constituée car  c’est une particule dite « élémentaire ». Pour l’instant nous sommes incapables de « voir » quelque chose de plus petit que 10-18 m, remarquez que c’est déjà vraiment très petit. Il semblerait que sa dimension est approximativement 10-22m. Première conclusion : on en n’a JAMAIS vu ! 

Vision des divers ordres de grandeurs

Comment connaît on ses caractéristiques ? Parce qu’il réagit à trois des forces fondamentales : la gravité, l’électromagnétisme et les interactions faibles. Ces réactions seront elles visibles et donc mesurables. De ces mesures les physiciens en ont déduit ses caractéristiques. Ils ont notamment découverts que notre électron est  la clé dans tout ce qui concerne les liaisons chimiques, le magnétisme, l’électricité, l’optique, la supraconductivité … etc.

l’électron : très petit et mystérieux MAIS primordial.

Dans le monde qui nous entoure, les particules émettent ou subissent des champs de diverses teneurs. Ci-dessous je vous présente cette notion de champ mais si vous voulez plus de renseignements rendez-vous ici.

Petit parallèle

Lorsque une entité réagi à un champ on donne un nom à ce phénomène et on nomme également l’action résultante. Pour cette démonstration (qui n’en est pas une), nous allons utiliser un monde théorique et fictif.  Le choix des formes est totalement fortuit, c’est un monde imaginaire :

Courant électrique, charges

Nous allons essayer d’imaginer les relations entre ces entités. Chacune génère un champ nommé « amour » qui peut varier en « couleur » (le terme couleur est symbolique, pas dans le sens physique du terme). Lorsque deux entités se rencontrent ou plutôt sont suffisamment proche pour que leurs champs « amour » interfèrent, il peut se produire une attraction, une répulsion ou rien du tout suivant leur « couleur » ! Ne me demandez pas « pourquoi » on ne sait pas, on constate que c’est comme cela !  Heureusement ce monde n’est qu’imaginaire ! ;-). Dans le cas fictif présenté, nous pouvons déduire les règles :

  • champ amour vert et champ amour bleu : attraction
  • champ amour bleu et champ amour jaune : pas d’interaction
  • champ amour jaune et champ amour violet : répulsion
  • et beaucoup d’autres combinaisons

Pour un électron on ne parle pas de champs « amour » mais de champs « électrique ». Lorsque une particule émettant un champ électrique (un électron par exemple) rencontre un champ électrique elle réagit, tout au moins elle interfère avec.  Pour nos particules élémentaires c’est nettement plus simple que le cas fictif présenté plus haut ! L’électron génère un champ « électrique » « négatif » et  si son champ rencontre un champ « positif » les particules sont attirées l’une vers l’autre. Si les deux champs sont « négatifs« , les particules sont repoussées, idem si les champs sont  tous les deux « positifs« . Voilà les règles sont assez simples en fin de compte.

  • champ électrique négatif et champ électrique positif : attraction
  • champ électrique négatif et champ électrique négatif  : répulsion
  • champ électrique positif et champ électrique positif  : répulsion

Courant électrique, charges

Donc notre électron possède une caractéristique nommée « charge » qui est dite « négative ». Pour facilité les futures prévisions, nos amis les physiciens on définit une valeur pour cette caractéristique « charge » :  −1,602 × 10−19 Coulomb (C). Ce chiffre, un peu mystérieux, comme sorti du chapeau, ainsi que son unité seront expliqué un peu plus loin. Je vous les indique uniquement pour information, nous ne feront pas de calcul avec.

un électron → une charge électrique négative

Remarque : lorsque les physiciens parlent d’anti-matière ce sont par exemple des électrons avec une charge électrique positive, on parle de « positron » au contraire du vrai électron qui a une charge électrique négative. Bon heureusement pour nous cette anti-matière n’est pas répandue, car la matière et l’anti-matière annihile lorsque qu’elle se rencontre. Vous risquez de « toucher » l’anti-matière lors d’une tomographie par exemple.

Le proton

maintenant je vous laisse deviner : si l’électron est le porteur d’une charge électrique négative, le proton lui sera …… suspens …… :  le porteur d’une charge électrique positive.

un proton → une charge électrique positive

Le neutron

Là aussi je vous laisse deviner : le neutr(e)on, il est poteur d’aucune charge électrique ! Bon c’est plus facile pour un Suisse de comprendre la situation du neutron. On n’entends rien, on voit rien et on dit rien, on ne se mêle pas des choses dites électriques !

Conclusion provisoire

Voilà c’est fini pour l’essentiel, tout a été dit. Cela ne vous éclaire pas sur ce qu’est un courant électrique ? Patience, mais j’espère que vous avez notez les terminologies de charge électrique et champ électrique, c’est électrique !

  • nous avons deux des trois particules qui constituent l’atome qui génèrent un champ électrique et naturellement elles réagissent à ce champ.
  • Ne demandez pas pourquoi, car on ne sait pas, c’est comme cela
  • Un atome c’est petit. Il y en a autant dans une goutte d’eau que de gouttes d’eau dans l’océan, ce qui fait une « épéclée » (tiré du Vaudois) d’atomes.

 

L’électricité

L’électricité c’est le domaine qui prend en compte toutes les formes ou actions dû à la présence de charges électriques. C’est vaste car cela touche de l’infiniment petit à l’infiniment grand. Oui, j’ai oublié de vous le dire si un électron (charge négative) attire un proton (charge positive) deux électrons attirons deux fois plus fort le proton !

Les effets des charges électriques, les effets de leur champ  sont cumulables.

Courant électrique, charges

Petite présentation des champs et des charges électriques. A tout honneur notre ami l’électron. Évidemment comme il est négatif, il a sa tête des mauvais jours et son aura n’est pas très gaie !  L’idée c’est que plus vous êtes loin de lui moins vous sentez les effets de son champ électrique, de sa charge.

C’est le principe de « loin des yeux, loin du coeur ! ». Bien que théoriquement l’effet de la charge, du champ, de notre électron se ressente à l’infini, dans la réalité à une certaine distance elle n’a plus trop d’influence.

L’effet d’une charge électrique (son champ) diminue si on s’éloigne d’elle.

On peut bien sûr avoir le même schéma pour un proton, le porteur de la charge positive et de son champ associé, la couleur  verte, celle de l’espoir, lui sied bien je trouve 😛 

Courant électrique, charges

L’intérêt est de comprendre qu’en un point de l’espace, les effets des champs s’additionnent, donc si, dans un endroit il y a beaucoup d’électrons ou de protons il y aura une accumulation des effets de leurs champs respectifs. Si on a un électron on aura une charge (un champ) électrique alors que si une centaine d’électrons sont en un endroit, on aura un champ (une charge) électrique 100 fois plus grand. Comme les électrons sont très très petits on peut imaginer que beaucoup d’électrons peuvent s’accumuler en un seul endroit, comme par exemple 6,241 509 629 152 65 × 1018 électrons. Vous vous doutez bien que ce chiffre n’est pas pris au hasard, vous le comprendrez en calculant l’intensité de la charge électrique si tous ces électrons sont au même endroit. La charge électrique résultante sera :

6,241 509 629 152 65 × 1018  * (- 1,602 × 10−19) soit  environ 1 (C) .

en français : un Coulomb

Vous me direz que cela « vous fait une belle jambe » parce que vous n’avez pas la moindre idée que ce que cela représente en réalité un Coulomb !  🙄

Encore un peu de patience on y vient. 🙂 

Le courant électrique

C’est simplement un déplacement de charges (négatives ou positives).

Donc pour bien expliquer, si je prends un électron dans ma main (c’est imaginaire bien sûr) et que je déplace ma main, je crée un courant électrique. A chaque fois qu’une charge électrique se déplace, on a un courant électrique.

MAIS me direz vous, les électrons (charges négatives) et les protons (charges positives) appartiennent aux atomes, donc si on déplace l’un on déplace l’autre ! Comme il y a autant d’électrons que de protons dans un atome l’effet des charges s’annule, l’atome est électriquement neutre, vu de l’extérieur il n’est pas chargé. Donc ….. pas de courant.

C’est maintenant que nous devons regarder comment les atomes s’accumulent pour former la matière. Nous allons faire un rapide survol de la chose, pour une explication plus complète rendez-vous ici.

la matière

La matière qui nous entoure est constituée d’atomes assemblés en solides, en liquides ou en gaz. Ces échafaudages d’atomes font que par moment les électrons peuvent être mis en commun et vont et viennent d’un atome à l’autre. C’est le cas pour les métaux par exemple. Parfois on a des atomes libres mais qui peuvent avoir pris/perdu un électron. Donc on peut trouver des électrons isolés ou des atomes avec plus de protons que d’électrons ou encore des atomes avec plus d’électrons que de protons.

Résumé des charges électriques possibles.

Courant électrique, charges

Les électrons « libres », sont observés dans les métaux, des matériaux solides. Cette caractéristique est particulièrement vraie pour le cuivre par exemple. Dans un morceau de cuivre, il y a beaucoup d’électrons dit « libres », ils peuvent se déplacer dans la matière.  Mais comme nous l’avons vu s’il y a déplacement d’électrons, il y a déplacement de charges électriques donc il y a du courant électrique !

Le cas des atomes chargés (négativement ou positivement) qui se déplacent, on les trouve dans les liquides par exemple. Nous n’en parlons pas ici.

Déplacement de beaucoup d’électrons

Pour finir avec cette unité (le Coulomb) imaginons que nous observons la section d’une barre d’un matériel quelconque. Dans cette barre circule des charges électriques. Si nous voyons passer 1 coulomb, c’est-à-dire 6,241 509 629 152 65 × 1018 charges élémentaires ceci en une seconde, nous dirons que nous avons un courant électrique d’un Ampère 1(A). C’est « la relation » entre le monde de la matière et le monde électrique ! Deux très courtes vidéos pour illustrer ces affirmations.

Je viens de trouver cette superbe vidéo (8’05) qui parle de l’électricité en général, la première partie, après l’historique, montre très bien ce qu’est le courant électrique.

Quelques conséquences

Matière :

On comprend que certaines matières permettent aux électrons de se déplacer (les métaux par exemple) et que d’autres ne libèrent aucun électrons (les isolants). Dans les premières, il y a possibilité d’avoir du courant électrique alors que dans les isolants, il n’y a pas de charges électriques libres donc pas de courant électrique.

Échauffement :

Si on observe un barre métallique traversée par un courant électrique, on constate que si la température de la barre diminue le courant électrique passe mieux, ce qui peut-être contraire à notre « instinct ». En fait il ne faut pas oublier que l’électron est un objet typiquement quantique, c’est-à-dire que ce n’est pas un morceau minuscule de matière qui se promène mais un objet autant corpusculaire qu’ondulatoire. Donc le déplacement d’un électron dans un fil électrique cela correspond autant au déplacement d’une onde qu’une particule. Les atomes sont bien rangés dans le cristal et même si leur mouvement brownien (la température) est important cela ne les dérangent pas trop. En fait l’augmentation de la température du fil laisse « moins d’espace libre » pour le passage des électrons, mais ce n’est pas là le phénomène le plus important. Ce qui freine (échauffe) l’électron ce sont les impuretés, atomes déformant le cristal, les changements d’orientation des cristaux et les changements de milieu.

Prenons le cas d’un déplacement d’électron dans un fil métallique. Que se passe-t-il en réalité. La matière est constituée d’une multitude d’atomes et donc l’électron surfe dans le cristal et se « heurte » sur le premier défaut rencontré (impureté, changement orientation, dislocation, changement de milieu, etc). C’est au travers d’un chemin plein d’embûches qu’il peut arriver à traverser le fil.

Courant électrique, charges

Pour avancer, notre électron dépense beaucoup d’énergie, mettez vous à sa place, il se cogne partout ! Donc énergie dépensée : ça chauffe. Le fil métallique chauffe lorsqu’il est traversé par beaucoup d’électrons (rappel : un électron c’est très très petit). C’est un des ennuis des circuits électriques. Nota : pour chauffer votre café, c’est plutôt utile ce phénomène.

Maintenant imaginez ce que peut représenter un changement de milieu pour notre électron. Il arrive au bout du fil métallique et il doit changer de fil :  il y a un connecteur. Que se passe-t-il ?

Courant électrique, charges

La première chose ce que l’on peut dire c’est que c’est plus facile de se déplacer dans la matière que de changer de matière ou de morceau de matière. Lorsque le courant électrique (un flux d’électron) arrive à une connexion, ça chauffe beaucoup car il lui faut beaucoup d’énergie pour changer de milieu.  La grande conséquence est le danger d’incendie par échauffement ! Le nombre de connexion que le courant rencontre avant d’atteindre la lumière de votre bureau est très grand (prises, fils muraux, tableau électrique, etc ..). On compte facilement plus de 300 connexions dans une maison standard, 300 endroits ou cela chauffe. Et cela explique pourquoi la grande majorité des incendies sont dû à des « mauvais contacts ».

Exemple d’une prise électrique laissée à l’extérieur sans protection particulière : à ne pas faire 🙁  !

Courant électrique, prise 230V brulée

force :

Un courant électrique existe lorsque qu’il y a déplacement de charges électriques. Oui, d’accord mais pourquoi ces charges se déplacent-elles ? Si vous ne l’avez pas encore bien saisi, les charges électriques positives veulent rejoindre les charges négatives et vice versa.

Courant électrique, charges

Les charges opposées s’attirent, donc il y a une force d’attraction entres-elles. C’est cette force qui permet le déplacement de charges donc le courant électrique.

Conclusion

Merci les électrons !

C’est grâce à eux que vous êtes là en train de lire cette fin d’article.  Oui je sais, il était temps  mais quand on aime, on ne compte pas !