ÉLECTRICITÉ Lois et applications
L'électrocinétique
La conduction, les générateurs, la loi d'Ohm
Les charges présentes dans la matière sont plus ou moins liées. Dans le cas des métaux, on trouve un grand nombre d'électrons quasi libres de se déplacer à l'intérieur du matériau ; les métaux sont de bons conducteurs de l'électricité. Il existe à l'inverse des corps où les charges sont complètement liées, ce sont les isolants. Entre ces deux extrêmes, on trouve les semi-conducteurs (composés formés à partir du silicium ou du germanium) où les porteurs de charges sont relativement peu nombreux. Ainsi, bien que neutre, un conducteur possède des charges mobiles, les porteurs de charges, qui assurent la conduction. On définit l'intensité I, en ampères (A), comme la charge s'écoulant par unité de temps : I = dq/dt.
Dans un conducteur en équilibre électrostatique, le champ électrique et, donc, la force électrique sont nuls : les charges sont au repos. Un dispositif extérieur, le générateur, est alors nécessaire pour mettre ces charges en mouvement : il entretient dans le conducteur un champ électrique qui exerce une force sur les porteurs de charges et provoque le passage d'un courant électrique. Le générateur est caractérisé par sa force électromotrice e (ou fem), qui donne la différence de potentiel à ses bornes lorsqu'il débite un courant nul.
Il existe donc une différence de potentiel V aux bornes d'un conducteur parcouru par l'intensité I. Dans certains cas (conducteurs ohmiques), il existe une relation V = RI (loi d'Ohm) où R, résistance du conducteur, caractérise le « freinage » des porteurs de charge. Elle s'exprime en ohms (Ω). La résistance dépend de la forme et de la nature du matériau. Par exemple, pour un conducteur cylindrique de section S et de longueur L, on montre que R = ρ (L/S), où r est la résistivité du matériau (son inverse σ = 1/r est la conductivité dont la valeur est d'autant plus élevée que le corps est meilleur conducteur).
La puissance dissipée dans un conducteur s'exprime par P = VI. Dans le cas d'une résistance, elle correspond à l'effet Joule : P = RI2. La puissance s'exprime en watts (W).
Divers conducteurs et générateurs peuvent être assemblés pour constituer un réseau dans lequel les lois de l'électrocinétique (lois de Kirchhoff) permettent de calculer les diverses intensités. Ces lois sont établies pour des courants continus mais restent valables si les circuits sont parcourus par des courants variant lentement au cours du temps (tels les courants alternatifs I(t) = Imcosωt) dont les fréquences f = ω/2π restent inférieures à quelques centaines de kHz. Cela constitue l'approximation des états quasi stationnaires (ou A.E.Q.S.).
Les ordres de grandeur, les applications
Les applications de l'électrocinétique sont omniprésentes dans le monde actuel. On distingue deux domaines : le domaine des courants faibles, ne dépassant pas des intensités de l'ordre de l'ampère, c'est celui de l'électronique de faible puissance (ordinateur, téléphonie, circuits de commande, microprocesseurs) et le domaine des courants forts (des dizaines ou des centaines d'ampères) qui est celui des applications domestiques, de l'électronique de puissance et de l'électrotechnique (moteurs, alternateurs).
Les ordres de grandeur des conductivités sont pour les métaux : σ ≙ 106 Ω—1 m—1, pour les isolants : σ ≙ 10—6 Ω—1 m—1, et pour les semi-conducteurs : 106 > σ > 10—4 Ω—1 m—1.
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Écrit par
- Jean-Marie DONNINI : agrégé de physique, maître de conférences
- Lucien QUARANTA : maître de conférences
Classification
Médias
Principaux phénomènes électriques et lois fondamentales qui les régissent
Encyclopædia Universalis France
La fée électricité
Encyclopædia Universalis France
Création d'un champ électrique
Encyclopædia Universalis France
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