Energie électrique (charges électriques)

HGT - SCB
Physique
UAA1
Clarifications conceptuelles à l’usage du professeur
Electricité
Electrisation d’un objet
Quand deux objets initialement neutres sont frottés l’un à l’autre, il peut se produire une électrisation
par frottement. Lors de ce phénomène, autant de charges positives que de charges négatives sont
formées (ou plus précisément séparées) et se disposent sur les deux objets. Ces charges sont mises
en évidence par le fait que les charges de même nom se repoussent, tandis que celles de nom
contraire s’attirent. La force s’exerçant entre deux objets chargés est d’autant plus grande que les
objets sont proches l’un de l’autre et qu’ils sont fort chargés. Historiquement, on a nommé électricité
positive l’électricité gagnée par le verre et électricité négative celle gagnée par l’ébonite (actuellement
souvent remplacé par le PVC).
Depuis la fin du XIXème siècle, l’électrisation
s'explique au niveau atomique par le transfert
d’électrons d’un objet à l’autre lors du
frottement : l’objet chargé négativement gagne en
fait des électrons, tandis que l’objet chargé
positivement en perd. Dire que des charges
électriques se forment lors d’une électrisation est
donc un abus de langage : elles sont déjà
présentes dans tout objet. S’il est électriquement
neutre, c’est que les charges opposées qu’il
possède sont en même nombre et s’équilibrent.
Un objet est conducteur électrique si les charges électriques (en fait certains électrons appelés
électrons de conduction) peuvent s’y déplacer librement, sinon il est isolant. Les métaux et le
carbone graphite sont de bons conducteurs électriques. A cause de leur répulsion mutuelle, les
charges se répartissent préférablement à la surface des conducteurs.
Il n’y a pas que par frottement qu’un objet initialement neutre peut être électrisé : on peut aussi le
mettre en contact avec un autre objet déjà chargé. Après séparation, les deux objets possèdent alors
des charges de même signe, mais pas forcément en même quantité.
Un objet initialement neutre peut enfin être polarisé 1 électriquement en étant placé dans
l’environnement immédiat d’un autre objet chargé, sans entrer en contact avec lui. Dans ce cas,
appelé influence électrique, autant de charges positives que de charges négatives sont séparées
dans l’objet neutre et vont s’y localiser en deux endroits opposés. L’objet, tout en restant globalement
neutre, est alors attiré par l’objet chargé, car dans l’objet neutre, les charges de signe opposé sont
plus proches de l’objet chargé que les charges de même signe. Si l’objet initialement neutre est
éloigné de tout objet chargé, l’électrisation disparaît : les charges opposées se réunissent à nouveau.
Dans le système international d’unités (SI), l’unité de la charge électrique est le coulomb (noté « C »).
Comme un électron a une charge de -1,6.10-19 C, une charge de -1 coulomb correspond à un excès
de 1/1,6.10-19 = 6,25.1018 (6,25 milliards de milliards !) d’électrons, tandis qu’une charge de +1
1
Objet polarisé électriquement : les charges positives et négatives vont être séparées et se localiser en deux endroits
opposés.
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1
coulomb correspond au défaut d’un même nombre d’électrons. Une autre unité fréquemment utilisée
pour la charge électrique est l’ampèreheure (Ah). Elle correspond à la quantité de charge transportée
par un courant de 1 ampère2 pendant une heure, et vaut 3600 C.
Circuit électrique de base
Un circuit électrique est composé d’au moins un générateur et un récepteur raccordés par deux
conducteurs.
Un générateur est un dispositif capable de séparer des charges opposées tant que fonctionne le
circuit. Dans le cas d’un générateur continu, les charges positives et négatives s’accumulent toujours
sur deux bornes différentes appelées la borne positive et la borne négative. Au cours de ce
processus, une énergie primaire (chimique, mécanique, lumineuse…) est transformée en énergie
électrique. On peut également considérer le générateur comme un dispositif communiquant de
l’énergie aux charges électriques le traversant. Nous privilégierons cette définition pour sa simplicité
et son lien avec les analogies, même si elle ne
Energie
Energie
correspond pas toujours aux processus atomiques, et en
électrique
primaire
particulier aux réactions chimiques observées. Ainsi,
Générateur
(charges
dans les électrolytes (des piles et des cuves
(chimique,
électriques)
d’électrolyse), les charges sont portées par des cations et
mécanique,…)
des anions se déplaçant en sens inverse.
)
Un récepteur est un dispositif prélevant de l’énergie aux
Energie
Energie
charges électriques le traversant.3
Au cours de ce
secondaire
électrique
processus, de l’énergie électrique est transformée en une
Récepteur
(chimique,
(charges
énergie secondaire (chimique, mécanique, thermique…).
mécanique,…
électriques)
Tout comme le générateur, le récepteur possède – au
))
moins – deux bornes.
Pour que le récepteur et le générateur fonctionnent, il faut relier leurs
bornes positives et négatives respectives avec deux conducteurs. Quand
le circuit ainsi formé est ininterrompu, on dit que le circuit est fermé : un
courant électrique, constitué de charges électriques, circule dans celui-ci.
Historiquement, on a pris l’habitude de décrire le courant électrique
comme allant de la borne positive à la borne négative du générateur en
traversant le récepteur : c’est le sens conventionnel du courant.
Au
niveau atomique, les porteurs de charge au sein des conducteurs solides,
les électrons de conduction, se déplacent en réalité dans l’autre sens : ils
vont de la borne négative à la borne positive du générateur en traversant
le récepteur : c’est le sens réel du courant.
Les charges électriques ne s’accumulent en aucun endroit du circuit, se mettent toutes en mouvement
simultanément dès que le circuit est fermé, et au contraire, s’arrêtent toutes simultanément dès qu’on
ouvre le circuit en un point quelconque, par exemple au moyen d’un interrupteur. Notons que, au
niveau atomique, les électrons de conduction ont une vitesse très faible : à peine quelques millimètres
par seconde !
De nombreux générateurs, dont ceux alimentant les prises du
secteur (prises domestiques), fournissent une tension
alternative : elle s’inverse plusieurs fois par seconde.
Certains récepteurs (les ampoules à incandescence, les
résistances chauffantes, …) sont directement branchées sur
ces générateurs, et le courant qui y circule s’inverse de la
même manière. D’autres récepteurs (certains moteurs, les
LED, les GSM,…) ne peuvent fonctionner que sous une
tension continue, le courant ne peut circuler que dans un sens.
Un court-circuit survient quand le courant électrique peut circuler entre les deux bornes d’un
générateur sans devoir passer par un récepteur. Il en résulte un courant électrique très important qui
risque d’endommager les générateurs, voire les conducteurs. Certains générateurs (transformateurs
de labos) sont équipés d’un système de protection contre les courts-circuits.4
2
Voir plus loin dans la section sur les grandeurs électriques, le paragraphe sur la notion de courant électrique.
On peut aussi considérer le récepteur comme un dispositif où des charges opposées se rejoignent et s’équilibrent.
4 Voir plus loin dans la section sur la sécurité électrique, le paragraphe sur la sécurité des installations.
3
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2
Les seules manifestations extérieures du courant électrique sont donc liées à l’énergie à investir au
niveau du générateur (la dynamo qu’il faut faire tourner, le transformateur qu’il faut raccorder au
secteur, la cellule photovoltaïque qu’il faut éclairer, la pile dont il faut remplacer les réactifs…) et aux
effets observables au niveau du récepteur. Ceux-ci peuvent être de plusieurs types.

Effet thermique : résistances chauffantes, rhéostats, la plupart des conducteurs, lampes à
incandescence, … Au-delà d’une certaine température, certains de ces récepteurs deviennent
lumineux par incandescence.5

Effet mécanique : moteurs, haut-parleurs,… Ces récepteurs utilisent l’effet magnétique du
courant électrique.6

Effet chimique : cuves d’électrolyse, accumulateurs lors de la recharge,… Ces processus
sont détaillés dans le cours de chimie.

Effet électroluminescent : tubes luminescents, LED (diodes électroluminescentes), écrans de
TV et PC,… Cet effet n’est explicable que dans le cadre de la physique quantique, abordée
éventuellement en fin de 3ème degré.

Effet électromagnétique : GSM, routeurs Wifi,… Ici, il s’agit d’une matière qui sera abordée
dans le cadre des ondes au 3ème degré.
Aimants et pôles magnétiques
Les aimants ont la propriété d’attirer et d’être attirés par des objets contenant
notamment du fer.
Chaque aimant possède des zones, les pôles
magnétiques, où les attractions sont plus manifestes. Il existe deux pôles de
type différent, présents sur chaque aimant : le pôle nord et le pôle sud. Une
petite aiguille aimantée libre de tourner sur un axe, et éloignée d’objets
perturbants tels des structures en acier, s’oriente dans nos régions en
dirigeant son pôle nord vers le Nord géographique. Des pôles de même type
se repoussent, des pôles de types différents s’attirent. Contrairement aux
charges électriques, on ne peut isoler un seul pôle magnétique sur un objet,
même en cassant un aimant : il se forme alors deux aimants plus petits.
Un électroaimant est un aimant non-permanent dont l’action est commandée
par un courant électrique circulant dans un conducteur enroulant, un barreau
en fer. Les électroaimants sont à la base de la plupart des effets mécaniques
du courant électrique.
Voici quelques applications technologiques adaptées à cette UAA :

l’électroaimant porteur permet de soulever des masses importantes pour
peu qu’elles soient magnétiques ;

l’électroaimant de porte qui joue le rôle de serrure électrique ;

la sonnette à battant est munie d’une pièce magnétique attirée par un électroaimant. Mais en se
rapprochant de celui-ci, un contact s’ouvre, l’électroaimant cesse d’agir, la pièce revient à sa place
initiale grâce à un ressort et le contact se referme à nouveau ;

le relais permet de commander un circuit de travail, par exemple à fort courant ou haute tension, à
partir d’un circuit de commande à basse tension ;

le moteur à courant continu contient un
électroaimant pouvant tourner sur luimême (le rotor, 2) dans le voisinage
d’un autre électroaimant ou aimant fixe
(le stator, 1). Un système de balais (3
et 4) permet une inversion du sens du
courant circulant dans le rotor, et donc
sa polarité à chaque demi-tour. C’est
ce phénomène qui l’oblige à tourner sur
lui-même (sinon, le rotor s’arrêterait
dans la position b de l’illustration7) ;
5
Voir plus loin dans la section sur les grandeurs électriques, les paragraphes sur la résistance électrique et sur l’effet joule.
Voir dans la section suivante sur les aimants et les pôles magnétiques.
7 Source de l’illustration : http://buchrain.educanet2.ch/move2/mo/g/elektromotor.htm
6
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3

le haut-parleur8 (dans les baffles, les écouteurs…), possède
une membrane souple à laquelle est attachée une petite
bobine très légère, dans laquelle circule un courant
électrique variant avec le son. Cette bobine ne possède pas
de noyau pour ne pas l’alourdir, mais se trouve à proximité
d’un aimant fixe. Le champ magnétique produit dans la
bobine en fonction du son crée des pôles Nord et Sud qui
font bouger la membrane par rapport à l’aimant, ce qui met
l’air en mouvement et produit un son audible.
Association de générateurs et de récepteurs
La plupart des circuits comportent plusieurs générateurs et/ou
récepteurs.
Ces dispositifs peuvent être branchés en série. Dans ce cas, la
borne positive d’un de ces dispositifs est raccordée à la borne
négative du dispositif suivant, etc. Si une des connexions est
déficiente, ou si un des dispositifs ne laisse plus passer le
courant, celui-ci s’annule partout dans le circuit.
Les générateurs et/ou récepteurs peuvent aussi être branchés en
parallèle ou en dérivation. Dans ce cas, les bornes positives
des dispositifs sont raccordées ensemble, et de même pour les
bornes négatives. Une déficience d’une connexion ou d’un
dispositif n’a normalement pas de conséquence sur le
fonctionnement des autres.
Le schéma électrique représente l’agencement des différents composants d’un circuit électrique, en
utilisant des symboles conventionnels. En voici quelques-uns :
G
+
Générateur de tension
continue (symbole général)
Interrupteur (ouvert)
Pile
(Le contact est établi soit entre
les bornes A et B comme illustré,
soit entre les bornes A et C)
Récepteur (symbole général)
Ampoule, lampe à
incandescence
Commutateur
Résistance, rhéostat,
résistance chauffante…
M
Résistance variable
A
C
8
9
(Lors du réglage, on modifie à la
fois la valeur de la résistance9
entre les bornes A et C et la
valeur de la résistance entre les
bornes C et B. La valeur de la
résistance entre les bornes A et
B reste constante.)
+
Moteur
Diode électroluminescente
(LED)
(Ce récepteur ne fonctionne que
quand le courant y circule dans le
sens indiqué par la flèche, c’està-dire de la borne + à la borne -)
Source de l’illustration : http://physique.vije.net/1STI/electricite.php?page=force_magnetique2
Voir section « Grandeurs électriques » ci-dessous.
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4
Grandeurs électriques
La tension électrique (aussi appelée différence de potentiel) est la quantité d’énergie acquise par
unité de charge traversant un générateur, ou la quantité d’énergie cédée par unité de charge
traversant un récepteur. Elle se calcule par le
quotient de l’énergie par la grandeur de la charge :
U = W/q, et s’exprime en volt dans le SI. 1 volt = 1
joule/1 coulomb, ou 1 V = 1 J/1 C. Elle se mesure
en raccordant un voltmètre en parallèle avec le
dispositif aux bornes duquel on désire mesurer la
tension.
Quand plusieurs dispositifs sont raccordés en
parallèle, une même tension règne à leurs bornes.
Quand plusieurs dispositifs sont raccordés en série,
la tension aux bornes du groupement est la somme
des tensions aux bornes de chaque dispositif. Plus
généralement, on appelle maille toute portion
fermée d’un circuit complexe. Pour chaque maille
d’un circuit, la somme des tensions aux bornes des générateurs est égale à la somme des tensions
aux bornes des récepteurs, ce qui est une conséquence du principe de conservation de l’énergie.
Le courant électrique (aussi appelé intensité du courant électrique) est la quantité de charge
circulant par unité de temps en un point d’un circuit. Il se calcule par le quotient de la charge
électrique par la durée : I = q/t, et s’exprime en
ampère dans le SI. 1 ampère = 1 coulomb/1 seconde,
ou 1 A = 1 C/1 s. Il se mesure en ouvrant le circuit à
l’endroit où on désire effectuer la mesure, et en y
raccordant un ampèremètre en série.
Quand plusieurs dispositifs sont raccordés en série,
un même courant électrique circule dans chacun d’eux.
Quand plusieurs dispositifs sont raccordés en parallèle, le
courant électrique circulant dans le groupement est la
somme des courants électriques circulant dans chaque
dispositif.
Plus généralement, on appelle nœud un point d’un circuit
où plusieurs fils se rejoignent. Pour chaque nœud d’un circuit, la somme des courants électriques
arrivant au nœud est égale à la somme des courants électriques repartant du nœud.
La résistance électrique d’un récepteur est une mesure
de la difficulté à y faire circuler un courant, ce qui est
l’inverse de la conductivité. La résistance se calcule par le
quotient de la tension qu’on établit aux bornes du récepteur
par le courant qui y circule pour la tension correspondante :
R = U/I, et s’exprime en ohm dans le SI. 1 ohm = 1 volt/1
ampère, ou 1 Ω = 1 V/ 1 A. La lettre grecque « oméga »
majuscule a été choisie car elle remplace la lettre latine
« O » qui aurait pu être confondue avec le chiffre zéro. La
résistance se mesure à l’aide d’un voltmètre et d’un ampèremètre placés judicieusement si le
récepteur est en fonctionnement, ou en le branchant directement à un ohmmètre s’il ne fait pas partie
d’un circuit électrique.
Les résistors dont la résistance reste constante quand la tension à leur borne varie obéissent à la loi
d’Ohm : le courant est alors directement proportionnel à la tension. Tous les conducteurs possèdent
une certaine résistance et sont donc le siège d’un effet thermique généralement limité.
La puissance électrique d’un générateur ou d’un récepteur est la quantité d’énergie qu’il transforme
par seconde. Elle se calcule par le produit de la tension aux bornes du dispositif par le courant qui le
traverse : P = U.I, et s’exprime en watt dans le SI. 1 watt = 1 volt.1 ampère, ou 1 W = 1 V.1 A. Elle se
mesure à l’aide d’un voltmètre et d’un ampèremètre placés judicieusement dans le circuit en
fonctionnement, ou en y insérant un wattmètre (ou énergiemètre).
L’énergie électrique transformée par un générateur ou un récepteur se calcule par le produit de sa
puissance par la durée : W = P.t, et s’exprime en joule dans le SI. 1 joule = 1 watt.1 seconde, ou 1 J =
1 W.1 s. Une unité plus usuelle pour l’énergie électrique est le kilowattheure (kWh). Elle est définie
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par la quantité d’énergie transformée par un dispositif d’une puissance d’un kilowatt (1000 watt)
fonctionnant pendant une heure : 1 kWh = 3600000 J = 3,6.106 J.
La résistance électrique d’un récepteur permet de prévoir la
quantité d’énergie électrique qu’il transformera en énergie
thermique (l’effet joule). Pour une tension donnée, l’effet
joule sera d’autant plus important que la résistance du
récepteur est faible.10 Un récepteur dont le but est de
transformer l’énergie électrique en énergie thermique est
appelé résistor.
Mesure des grandeurs électriques
La tension et le courant se mesurent soit au moyen d’appareils dédiés (voir cicontre un ampèremètre analogique), soit au moyen de multimètres (voir cidessous un multimètre digital). L’appareil est analogique quand on lit la
déviation d’une aiguille sur une échelle graduée et il est digital quand un
nombre s’affiche sur son écran. Les multimètres comprennent un sélectionneur
permettant de sélectionner le type de courant (alternatif ou continu), le type de
mesure désiré (tension ou courant), et le calibre (la plage de mesure). Tous
ces appareils disposent de deux à quatre broches pour le raccordement au
circuit. Avant de raccorder un multimètre, on veillera à débrancher le
générateur, et on placera le sélectionneur du multimètre sur une valeur
largement supérieure à la valeur attendue.
Quelle que soit la mesure effectuée, la broche appelée « neutre ou masse », généralement de couleur
noire, est systématiquement raccordée du côté du circuit raccordé à la borne négative du générateur.
Pour mesurer une tension, on raccorde d’une part la broche
correspondante et d’autre part le neutre du multimètre aux deux
bornes du générateur, du récepteur, ou du groupement pour lequel on
désire mesurer la tension, sans modifier aucun branchement dans le
circuit. On rebranche alors le générateur et on ajuste éventuellement
le sélectionneur pour affiner la mesure.
Pour mesurer un courant, les multimètres possèdent généralement
deux broches : une broche non sécurisée par un fusible interne
permet des mesures jusque 5 à 10 ampères, tandis qu’une autre –
parfois la même que pour la tension – est sécurisée par un fusible
interne, et n’admet donc qu’un courant limité. Lors d’une première
mesure, on commence généralement par utiliser la broche non sécurisée (le sélectionneur étant placé
dans la position ad hoc), avant d’éventuellement passer à des mesures plus précises en utilisant la
broche sécurisée, si le courant mesuré le permet. Pour raccorder le multimètre, on ouvre le circuit à
l’endroit où on désire effectuer la mesure, et on raccorde un côté du circuit au neutre, et l’autre à la
broche correspondante du multimètre, puis on rebranche le générateur.
De nombreux multimètres possèdent en outre la possibilité de mesurer des résistances de
récepteurs. On veillera à ce que ceux-ci soient au préalable complètement déconnectés de tout
générateur.
Sécurité électrique
L’électricité présente des dangers de deux ordres différents.
Pour les personnes – comme tous les êtres vivants – il faut éviter le passage dans le corps d’un
courant électrique supérieur à environ 10 mA (milliampères) qui pourrait provoquer une tétanisation
musculaire, voire une fibrillation du muscle cardiaque. Cela pourrait se produire si une personne
touche accidentellement deux conducteurs sous une tension de plus d’environ 50 V, l’un d’entre eux
pouvant être la Terre. Le risque est accru si les contacts sont humides. Pour prévenir le risque de
fuite de courant, les appareils électriques fonctionnant sous une tension supérieure à 50 V sont munis
d’une double isolation, les boîtiers métalliques des appareils électriques sont raccordés à la terre par
l’intermédiaire d’un troisième conducteur spécifique (la prise de terre), et les installations modernes
10
En partant de la loi de la puissance électrique (P = U.I) et en remplaçant I = U/R, on obtient : P = U²/R, ce qui vérifie cette
affirmation.
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sont équipées d’un différentiel qui interrompt le courant dès qu’il décèle une différence significative
entre les courants électriques entrant et sortant.
Pour les installations (conducteurs, générateurs, récepteurs), il faut éviter le passage d’un courant
électrique trop important qui pourrait provoquer une surchauffe par effet joule. Ceci pourrait provenir
d’un branchement d’un trop grand nombre de récepteurs en parallèles sur un même circuit, ou d’un
court-circuit accidentel. Les disjoncteurs 11 et fusibles12 placés en série ont pour effet d’interrompre le
circuit dès qu’ils décèlent le passage d’un courant trop important. Les connections entre conducteurs
se font, quant à eux, dans des boîtiers ininflammables à cause des surchauffes dues à des faux
contacts13 éventuels.
11
Les disjoncteurs sont des interrupteurs qui s’ouvrent automatiquement quand le courant de référence est dépassé. On
peut ensuite les refermer manuellement, après avoir remédié à la cause de la panne.
12 Les fusibles sont constitués de fins filaments calibrés fondant par effet joule quand le courant qui les traverse excède la
valeur de référence.
13 Par exemple un contact mal vissé ou oxydé avec le temps.
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