Grandeurs électriques : intensité, tension, puissance

La tension et le courant sont deux concepts fondamentaux en électricité. Cet article sera l'occasion de construire une première représentation mentale de ces deux grandeurs électriques basiques. On abordera aussi la puissance, qui est le produit de la tension aux bornes d'un dipôle et du courant le traversant.

Le concept d'électricité est né d'une observation de la nature. Il existe entre certains objets une force qui, tout comme la gravité, agit à distance. La source de cette force s'appelle la charge. La première différence notable avec la gravité est que la force électrique est beaucoup plus importante (comparativement à la taille de la source). De plus, contrairement à la gravité dont la source ne fait qu'attirer les autres objets, une charge peut soit attirer les charges opposées soit repousser les charges identiques.

Les conducteurs sont constitués d'atomes dont les électrons externes, ou électrons de valence, ne sont que faiblement liés à leur noyau (voir figure ci-dessous représentant un atome de cuivre). Dans une structure composée d'atomes comme celui-ci, les électrons de valence vont être libres de se déplacer d'un atome à l'autre, produisant ainsi un essaim ou une "nuée" d'électrons libres, c.-à-d. non associés à un quelconque noyau. La moindre force électrique peut alors être suffisante pour déplacer cette nuée. Le cuivre, l'or, l'argent, l'aluminium et les métaux en général sont de bons conducteurs, de même que l'eau salée.

Il existe aussi de mauvais conducteurs. Le tungstène $-$‍un métal utilisé comme filaments dans les ampoules$-$‍ et le carbone $-$‍sous forme de diamant$-$‍ sont de mauvais conducteurs car leurs électrons ont plus de mal à se déplacer.

Les isolants sont des matériaux composés d'atomes dont les électrons externes sont liés très fortement à leur noyau. Les forces électriques peu intenses ne sont pas capables de libérer ces électrons. Quand on applique une force électrique, les nuages d'électrons autour des atomes s'étirent et se déforment en réaction, mais les électrons ne sont pas arrachés. Le verre, le plastique, la pierre, et l'air sont des isolants. Il est toujours possible cependant, d'appliquer une force électrique suffisamment grande pour arracher des électrons de matériaux isolants$-$‍on appelle cela le claquage. C'est ce qui arrive aux molécules d'air lors d'une étincelle ou d'un éclair.

Les matériaux semi-conducteurs sont classés dans une catégorie entre les isolants et les conducteurs. Ils se comportent en général comme des isolants, mais peuvent, sous certaines conditions, avoir les mêmes propriétés qu'un conducteur. Le matériau semi-conducteur le plus connu est le silicium (de numéro atomique $14$‍). La technologie qui est utilisée aujourd'hui, notamment dans les ordinateurs et les téléphones portables, est entièrement basée sur la capacité à contrôler précisément cette propriété des semi-conducteurs de passer d'isolant à conducteur. Le principe derrière ce phénomène est expliqué par la physique quantique.

Le courant électrique est un déplacement de charges.

Les déplacements de charges créent le courant électrique.

La grandeur qui caractérise le courant électrique est son "intensité". Par définition, l'intensité du courant est la quantité de charges passant à travers une surface donnée par unité de temps. Pour visualiser comment mesurer l'intensité du courant électrique, on imagine un fil conducteur traversé par un mur invisible. Si on compte le nombre de charges qui traversent ce mur pendant une seconde, on obtient une mesure de l'intensité du courant électrique dans le fil. On attribue un signe positif au courant électrique selon la direction dans laquelle une charge positive se déplacerait.

Comme l'intensité du courant électrique est la quantité de charges passant à travers une surface donnée dans un temps donné, on l'écrit mathématiquement de la façon suivante :

Voilà, en quelques mots, ce qu'est le courant électrique.

Qu'est-ce qui transporte le courant dans un métal ? Comme les électrons sont libres de se déplacer dans les métaux, ce sont les mouvements des électrons qui créent le courant électrique. Les noyaux des atomes métalliques, chargés positivement, sont fixes et donc ne contribuent pas au courant. Quand bien même les électrons, qui sont chargés négativement, sont les seules charges en mouvement dans la plupart des circuits électriques, on continue d'appeler sens du courant la direction dans laquelle une charge positive se déplacerait. C'est une vieille convention historique.

Le courant peut-il être porté par des charges positives ? Bien entendu, comme par exemple dans l'eau salée, où le courant est porté à la fois par des charges positives et par des charges négatives. On peut faire un bon liquide conducteur en versant du sel de table ordinaire dans de l'eau. Le sel de table est un cristal appelé chlorure de sodium, de formule NaCl. Le sel se dissout dans l'eau, et se sépare en ions Na${}^{+}$‍ et Cl${}^{-}$‍ qui évoluent librement en solution. Lorsqu'on applique une force électrique, elle agit sur chacun de ces ions et les fait se déplacer dans la solution dans des directions opposées. Dans ce cas, le courant se compose de particules chargées en mouvement, des ions positifs et des ions négatifs, et non des électrons libres. Dans le corps humain, ce sont également les ions, positifs et négatifs, qui transportent les influx nerveux. La définition de l'intensité du courant électrique reste la même : c'est la quantité de charges qui passent à travers une surface donnée dans un temps donné.

Qu'est-ce qui est à l'origine du courant ? Les particules chargées se déplacent sous l'action de forces électriques et magnétiques. Ces forces sont générées par des champs électriques et magnétiques, qui eux-mêmes résultent de la présence et du mouvement d'autres charges.

Quelle est la vitesse du courant ? On ne parle pas souvent de la vitesse du courant. Pour répondre à la question "À quelle vitesse le courant s'écoule-t-il ?", il faut comprendre des phénomènes physiques très complexes, et la réponse à cette question n'est pas vraiment utile. On ne s'intéresse pas au nombre de mètres parcourus par le courant en une seconde, mais plutôt au nombre de charges qui passent par un point en une seconde. La question "Combien de courant s'écoule ?" est en général bien plus pertinente.

Quels termes utilise-t-on pour parler du courant ? Quand on parle du courant, on utilise des expressions comme à travers et dans. Le courant passe à travers une section de fil, il passe dans une résistance. On ne dit pas en revanche, "le courant aux bornes de ...".

Pour aborder la notion de tension électrique, on considère l'analogie suivante :

Pour une masse $m$‍, une variation d'altitude $h$‍ entraîne une variation d'énergie potentielle de pesanteur, $\mathrm{\Delta }{E}_{pp}=mg\mathrm{\Delta }h$‍.

Pour une particule de charge $q$‍, une tension $U$‍ entraîne une variation d'énergie potentielle électrique, $\mathrm{\Delta }{E}_{pe}=qU$‍.

La tension dans un circuit est analogue au produit $g\cdot \mathrm{\Delta }h$‍ pour la pesanteur. Dans ce cas $g$‍ est l'accélération de la pesanteur et $\mathrm{\Delta }h$‍ est la variation d'altitude.

On imagine une balle qui roule depuis le sommet d'une colline. Quand elle a dévalé la moitié de la colline, elle a libéré la moitié de son énergie potentielle.

Un électron au sommet d'une "colline" de tension "dévale jusqu'en bas" à travers les fils et les différents éléments du circuit. Il libère son énergie potentielle, en fournissant du travail. Quand l'électron arrive à mi-chemin du bas de la colline, il a "libéré" la moitié de son énergie potentielle.

L'électron tout autant que la balle va spontanément descendre depuis le haut de la colline. En effet, ils évoluent tous deux de manière à atteindre un état de plus basse énergie. Sur le chemin de la balle, il peut y avoir des obstacles tels que des arbres ou des rochers sur lesquels elle va rebondir. Pour ce qui est des électrons, ils vont être guidés par les fils conducteurs du circuit, et il va être possible$-$‍en fonction de l'agencement du circuit$-$‍de les faire passer par divers composants électriques, ce qui va provoquer des phénomènes intéressants.

On exprime mathématiquement la tension entre deux points comme la variation d'énergie potentielle électrique par unité de charge :

Voilà en quelques mots une description intuitive de la tension électrique.

La puissance électrique est par définition l'énergie électrique ($\text{E}$‍) échangée par unité de temps. Son unité est donc le joule par seconde qu'on appelle aussi Watt de symbole $W$‍.

($1\text{Watt}=1\text{joule}/\text{seconde}$‍)

Un circuit électrique est capable de transférer de la puissance. Le courant est un flux de charges par unité de temps, et la tension mesure l'énergie transférée par unité de charge. En utilisant ces définitions, l'équation de la puissance s'écrit :

La puissance électrique est égale au produit du courant et de la tension, elle est exprimée en watts.

Ces représentations mentales du courant et de la tension seront utiles pour comprendre de nombreux autres concepts en électricité ou ayant rapport aux circuits électriques.

Pour aller plus loin sur la notion de tension, l'article sur les tensions et potentiels électriques en donne une description mathématique plus formelle.