Qu’est-ce que l’électricité ? (partie I)

Le mot électricité a aujourd’hui deux sens. A l’origine, il est utilisé en physique, et désigne une manifestation de l’électromagnétisme, correspondant à un déplacement de particules chargées. Puis, par extension, il désigne aussi maintenant la forme d’énergie que nous utilisons tous quotidiennement, développée depuis le XIXème siècle. Dans cette première partie, nous allons revenir sur la première définition, celle du phénomène physique, et revoir quelques notions de base.

Le mot électricité provient du grec elektros, qui signifie « ambre jaune ». Il s’agit d’une résine naturelle, qui, après avoir été frottée, a pour propriété d’attirer des objets légers (ce qu’on appelle maintenant l’électricité statique). Ce phénomène aurait été observé pour la première fois grâce à cette résine par Thalès de Milet (à qui on doit le célèbre théorème) au VIème siècle avant JC. Vers 1600, le scientifique britannique William Gilbert nomme « électrique » cette propriété d’attraction que peuvent acquérir nombres d’objets après frottement, en référence à l’ambre jaune.

Le phénomène physique

Pour comprendre de quoi il s’agit, on peut décortiquer la définition rigoureuse de l’électricité, qui est la suivante :

Déplacement de particules chargées à l’intérieur d’un conducteur sous l’effet d’une différence de potentiel.

Les particules chargées possèdent ce qu’on appelle une charge électrique, qui est une propriété fondamentale de la matière. Il s’agit de l’équivalent de la masse pour l’interaction gravitationnelle. Ainsi, un objet qui possède une charge importante sera plus attiré, et attirera plus d’autres objets chargées, qu’un objet neutre (sans charge) ou avec une faible charge. La charge peut être positive ou négative. Comme exemple, on peut citer évidemment l’électron, qui est une particule élémentaire (indivisible), avec une charge élémentaire négative (c’est-à-dire qu’il s’agit de la plus petite charge qu’une particule peut posséder). En effet, on entre dans la quantification des propriétés de la matière, et la charge électrique, à cette toute petite échelle des particules élémentaires, ne peut pas avoir n’importe quelle valeur, mais doit être un multiple de la charge élémentaire. Un autre exemple est le proton, qui est une particule présente dans le noyau des atomes, et qui possède une charge élémentaire positive (donc égale en valeur absolue à celle de l’électron, mais de signe opposé). Parce qu’ils ont des charges opposées, un électron et un proton seront attirés l’un vers l’autre, alors que deux électrons seront repoussés.

particules chargées
Représentation de particules chargées

Un conducteur est un corps capable de laisser passer un courant électrique, à l’opposé d’un isolant. En effet, un conducteur possède des particules chargées (des électrons) qui sont libres de se déplacer, et vont pouvoir se mettre en mouvement pour créer un courant électrique. Nous connaissons tous des exemples de matériaux conducteurs : l’argent, l’or, le cuivre. En effet, la plupart des fils électriques sont fabriqués en cuivre, et lorsqu’on souhaite des connections de haute qualité, on peut utiliser l’or, qui coûte plus cher.

conducteur
Représentation d’un conducteur

Une différence de potentiel, ou tension électrique, correspond à une circulation du champ électrique le long d’un circuit électrique. Le champ électrique est (un champ vectoriel au niveau mathématique) créé par des particules chargées.

Donc si on remet tout dans le bon ordre :

  1. La présence d’une ou plusieurs particules chargées génère un champ électrique autour d’elles.
  2. Ainsi, en deux points de l’espace, les potentiels électrostatiques seront différents, ce qui correspond à une tension électrique.
  3. Dans un matériau conducteur, il y a des électrons libres, et qui ressentent la différence de potentiel. Leur mise en mouvement engendre un courant électrique.
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Animation représentant en 3 étapes la création d’un courant électrique

Le courant électrique, ou intensité, correspond au flux d’électrons dans le conducteur. En pratique, il s’agit du nombre d’électrons passant à travers une section (la section transverse d’un câble par exemple) en une seconde, le tout multiplié par la charge élémentaire d’un électron (pour obtenir la charge totale traversant la section par unité de temps). On a donc écrire le courant électrique, noté I, en fonction du nombre d’électrons N  traversant la surface du le temps considéré Δt : I = q * NΔt, avec q est la charge élémentaire de l’électron.

L’analogie avec l’écoulement d’un fluide

On peut faire l’analogie entre un fil conducteur au sein duquel des électrons se déplacent avec une rivière où de l’eau s’écoule. La tension électrique, ou différence de potentiel correspondrait au dénivelé de la rivière, responsable de la mise en mouvement de l’eau. L’intensité du courant électrique peut être assimilée au débit de la rivière. On peut même aller plus loin et imager le rôle d’un générateur de tension (par exemple une pile), qui serait dans le cas d’un fluide une pompe permettant d’élever une quantité de liquide. En retombant, le fluide pourrait actionner un moulin, image du récepteur électrique (une lampe par exemple).

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Analogie entre l’écoulement d’un fluide (à gauche) et l’électricité (à droite).

Que peut-on mesurer  de l’électricité ?

La tension et le courant peuvent se mesurer facilement grâce à un multimètre. La tension, ou différence de potentiel comme on l’a vu plus haut, s’exprime en volt (V), alors que le courant électrique, ou parfois nommé intensité, s’exprime en ampère (A). Attention, il faut en général utiliser différentes bornes du multimètre pour mesurer une tension ou un courant, et des modes différents pour des tensions continues ou alternatives.

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Un multimètre.

Courant continus ou alternatifs

La tension et le courant électrique peuvent être constants dans le temps (continus), ou bien varier de façon périodique (alternatifs). L’électricité qui nous est délivrée par les fournisseurs d’énergie est alternative, avec une fréquence de 50 Hz, c’est-à-dire que le champ électrique oscille 50 fois en une seconde. En revanche, la plupart de nos petits appareils ménagers fonctionnent grâce à une tension continue (de 5, 9, ou 12 V pour beaucoup). Ils sont donc fourni avec des transformateurs, qui convertissent le courant alternatif en continu.

Energie

Les particules chargées possèdent une certaine énergie liée à leur mouvement, qu’on appelle en général énergie cinétique. Elles peuvent céder une partie de cette énergie lors de collisions au sein d’un conducteur, ce qui entraîne l’échauffement de ce dernier. C’est ce qu’on appelle l’effet Joule, par lequel de l’énergie est dissipée par le conducteur. On peut définir le taux selon lequel l’énergie est transférée à un élément électrique (dipôle) dont la tension à ses bornes est U. Il s’agit de la puissance électrique P : P = U * I, où I est le courant qui traverse le dipôle, et P s’exprime en watt (W). On peut alors en déduire l’énergie transférée (ou dissipée par le dipôle), qui correspond simplement au taux multiplié par le temps d’utilisation Δt : E = P * Δt. L’énergie E s’exprime en joule (J) ou en wattheure (Wh), avec l’équivalence : 1 Wh = 3600 J. Tout ceci est correct uniquement pour des tensions et des courants continus, mais peut s’écrire de façon assez similaire pour des tensions alternatives.

Comment calculer l’énergie électrique consommée par un appareil ?

Grâce aux définitions de la puissance électrique et de l’énergie introduites plus haut, il devient simple de calculer l’énergie consommée par un appareil.

  1. Si on connait la puissance utilisée par l’appareil, on peut directement calculer l’énergie en multipliant la puissance par le temps d’utilisation. Par exemple, une lampe de 40 W reste allumée 2 heures, on a donc consommé une énergie E = P * Δt = 40 * 2 = 80 Wh.
  2. Si on ne connait pas directement la puissance utilisée par l’appareil, on doit trouver (ou mesurer) la tension et le courant délivrés par le transformateur de l’appareil. On peut ainsi estimer la consommation en énergie en Wh : E = U * I * Δt, avec Δt la durée d’utilisation en heure.

 

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