Le courant électrique

Le courant électrique
1.
Les effets du courant électrique
a. L’effet thermique :
Le courant électrique provoque un échauffement plus ou moins marqué de tous les conducteurs qu'il traverse. On appelle
ce phénomène l'effet Joule.
Application :
Lampe à incandescence : Dans un filament d'une lampe à incandescence, le dégagement de
chaleur peut entraîner une forte élévation de la température : Le filament émet alors de la
lumière.
Les appareils de chauffage : Radiateur électrique, thermoplongeur…
b.
L’effet chimique :
Lorsqu'un courant électrique circule dans un liquide conducteur (électrolyte), il se produit des réactions chimiques au
niveau des électrodes (réactions d’oxydoréductions): dégagement gazeux, dépôt d'un métal...
Application :
Electrolyseurs ;
Accumulateurs lors de la charge de celui-ci.
c.
L’effet magnétique :
Une boussole placée près d'un fil parcouru par le courant est perturbée. Le courant électrique crée au voisinage du fil un
champ magnétique qui est responsable de la rotation de l’aiguille.
Rotation d’une aiguille aimantée sous l’action d’un courant électrique.
2.
Nature et sens du courant électrique :
a. Sens du courant électrique.
ème
Le sens du courant électrique a été choisi de manière arbitraire au 19 siècle. On l’appelle le sens conventionnel du
courant électrique.
Par convention, dans un circuit électrique simple ; le courant circule du pôle du générateur, vers le pôle
du générateur à l’extérieur du générateur.
I
+
Sens conventionnel du courant électrique
-
I
Remarque : Certains effets dépendent du sens du courant électrique (effets chimique et magnétique).
b.
Nature du courant électrique.
Le courant électrique est du à un déplacement d’ensemble de porteurs de charges : électrons dans un métal, ions dans un
liquide...
i. Dans le vide :
Expérience:
Cathode
Anode
Filament
6V
Faisceau d'électrons
5000 V
Canon à électrons
ii. Dans les conducteurs métalliques
Expérience:
Dans une ampoule à vide, on projette, grâce à un canon à électrons, un
faisceau d'électrons. Leur trace est repérée sur un écran. Ils ont une
trajectoire rectiligne.
Si on approche de l'ampoule un aimant perpendiculairement à l'axe de
l'écran, les électrons sont déviés (vers le haut ou vers le bas, le sens
dépendant du pôle approché).
A
En l’absence de courant, le fil est vertical et immobile.
Fil
I
A
B
Sulfate de cuivre.
A
A
L'ampèremètre met en évidence qu'un courant circule de A vers B.
Si on approche du fil un aimant perpendiculairement à son axe, il est dévié.
Si on inverse le pôle approché, la déviation du fil est inversée.
Si on change le sens du courant électrique, la déviation du fil est inversée.
N
B
Interprétation
En comparant les deux expériences (circulation dans le vide ou dans un métal), on peut supposer que des
électrons circulent dans le fil conducteur AB. Ces électrons ne pouvant « sortir » du métal, l’action magnétique
résultante est transmise à l’ensemble du conducteur qui subit une déviation et se déplace comme le faisceau
d’électrons.
Le courant électrique dans le fil métallique est dû à un déplacement d’électrons: les électrons circule du pôle
du générateur, vers son pôle dans le circuit extérieur, donc en sens inverse au sens conventionnel.
Pour aller plus loin :
Un métal possède une structure cristalline : la position des atomes est fixe. La cohésion de l’ensemble est assurée
par la mise en commun des électrons périphériques de tous les atomes. Ces électrons ne sont donc plus liés à un
atome précis mais libres de ce déplacer à travers le cristal : on les appelle les électrons libres (ou électrons de
conduction).
En l’absence de générateur, ce mouvement est désordonné.
Lorsque dans un circuit électrique, on ferme l’interrupteur, tous les électrons libres prennent un mouvement
d’ensemble ordonné.
Ce mouvement est très lent (quelques mm/s), mais « l’ordre de mise en mouvement » est quasi instantané (Il
parcourt le conducteur à la vitesse de la lumière : 300 000 km/s).
Les métaux considérés comme « bons » conducteurs (cuivre, aluminium, or…) fournissent un électron libre par
atome.
Un « mauvais » conducteur en fournit moins d’un par atome et un isolant n’en fournit aucun.
iii.
Dans une solution ionique
Expérience.
Matériel:
Plaque de verre
2 électrodes de zinc
Solution de chlorure de potassium (assez concentrée )
Cristaux de sulfate de cuivre
Cristaux de permanganate de potassium
Alim 20/30V.
Remarque: Les ions sulfate et potassium sont incolores en solution aqueuse.
On observe que:
-Une trace bleutée à partir du sulfate de cuivre qui se dirige vers l'électrode négative (la cathode)
- Une trace violette à partir du permanganate de potassium qui se dirige vers l'électrode positive (l'anode)
Interprétation
Les traces observées sont dues à la migration des ions colorés (
et
)
Dans une solution ionique (électrolyte ), le courant électrique est dû à un double déplacement d'ions.
3.
Intensité du courant électrique
a. Charge électrique et quantité d’électricité
Nous savons qu’un électron porte une charge électrique négative
alors qu’un proton porte une
charge électrique positive
.
Dans les deux cas, on dira que la quantité d’électricité transportée par ces deux particules est de
.
Soit une portion de conducteur de section droite S et n, le nombre d’électrons traversant cette surface
I
Pendant une certaine durée , la section S de conducteur est traversée par n
électrons.
Chaque électron portant une charge électrique égale à –e,
la section S est donc traversée par une quantité d’électricité Q telle que :
eS
b.
Intensité d’un courant électrique continu.
L’intensité I d’un courant continu est égale à la quantité d’électricité Q traversant une section droite de conducteur
pendant une durée .
Elle est donc donnée par la relation:
I en ampère (A) ;
Q en coulomb (C) ;
en seconde (s)
c.
Mesure de l’intensité
Pour mesurer une intensité, on utilise un ampèremètre branché en série. (Attention, il ne doit jamais être utilisé seul avec
un générateur)
Attention au sens de branchement… (voir fiche sur le multimètre)
Il faut adapter le calibre à la mesure à effectuer (en commençant par le plus fort).
d.
Ordres de grandeur
Foudre
Alternateur de centrale électrique
Moteur de train
Démarreur auto
Radiateur électrique
Lampe halogène
Lampe à incandescence
Montre à quartz
4.
25 000 à 200 000 A (25 à 200 kA)
5 000 A ( 5 kA )
500 à 1000 A
50 à 100 A
2 à 20 A
1à2A
0,1 à 1 A
quelques A
Propriétés du courant.
a. Unicité du courant dans un circuit série. (voir TP)
L’intensité du courant électrique à la même valeur en tout point d’un circuit série.
Dans un circuit, il ne peut pas y avoir accumulation de charges. Chaque section de conducteur est traversée par une
même quantité de charge sur une même durée.
En conséquence, l’ampèremètre pourra être placé en n’importe quel point d’un circuit série.
b.
La loi des nœuds
La somme des intensités des courants électriques arrivant en un nœud d'un circuit électrique est égale à la somme des
intensités des courants électriques qui en partent.
Cette loi traduit la conservation de la charge électrique. ( la charge qui entre est égale à la charge qui sort ).