L'électricité

L'électricité est un phénomène naturel bien connu qui se manifeste de nombreuses manières différentes. Ce phénomène est observé par l'homme depuis la nuit des temps mais a été domestiqué il y a trois siècles seulement. C'est en 1799 que Alessandro Volta invente la pile électrique qui fonctionne grâce à un principe très simple que l'on utilise encore aujourd'hui. S'en suit ensuite l'invention du premier moteur électrique par Peter Barlow en 1822. Dans la suite suivront tout un tas d'inventions qui ont façonné le monde dans lequel nous vivons aujourd'hui. Mais il ne faut pas non plus oublier les physiciens qui ont participé à la mise en place de toute la théorie électromagnétique qui sont : Maxwell, Ampère, Faraday, Biot, Savart ... et bien d'autres physiciens qui ont travaillé à la compréhension et à la modélisation des phénomènes électriques et magnétiques.

Les éclairs sont une manifestation naturelle de l'électricité. Lors d'un orage, le sol et les nuages sont opposés en charge et, afin de rétablir l'équilibre électrique, les électrons se déplacent subitement de bas en haut. La lumière vient du fait que, la conductivité électrique de l'air étant faible, celui-ci chauffe énormément (30 000 °C environ) et produit de la lumière.
Les éclairs sont une manifestation naturelle de l'électricité. Lors d'un orage, le sol et les nuages sont opposés en charge et, afin de rétablir l'équilibre électrique, les électrons se déplacent subitement de bas en haut. La lumière vient du fait que, la conductivité électrique de l'air étant faible, celui-ci chauffe énormément (30 000 °C environ) et produit de la lumière.

La théorie électromagnétique est l'une des théorie les mieux comprises et maîtrisée par les physiciens. Elle est d'ailleurs très bien enseignée dans le supérieur et très accessible aux étudiants en physique à l'inverse de la mécanique quantique et la relativité qui sont des théories qui demandent de se "tordre" l'esprit.

La force de Coulomb

Vous savez probablement que l'électricité consiste en un déplacement d'électrons dans un matériau conducteur. Mais comment celui-ci se produit il ?

Les atomes sont composés d'un noyau autour duquel gravitent des électrons. La force qui maintient les électrons autour du noyau est appelée force de Coulomb du nom de son inventeur Charles Coulomb. De la même manière que la force de gravité entre deux particules met en jeu leur masse, la force de Coulomb ou électrostatique met en jeu des charges positives ou négatives. Prenons un exemple extrêmement simple voire même faux de l'atome d'hydrogène représenté par deux particules. Un proton chargé positivement formant le noyau et un électron chargé négativement qui orbite autour du noyau.

Lorsque la charge des particules s'oppose, celles-ci s'attirent. A l'inverse, si les charges sont les même en terme de signe, les particules se repoussent et l'intensité de la force est de plus en plus élevée à mesure que les charges sont proches. C'est un peu le même phénomène qui se passe lorsqu'on rapproche des aimants de pôles opposés ou identiques ensembles à la différente que la force en jeu n'est pas l’interaction de Coulomb mais une interaction de type magnétique.

La force de Coulomb est l'élément principal d'une interaction électrostatique. C'est elle qui se manifeste lors des phénomènes d'électrisation.

Qu'est ce que l'électrisation ? 

L'électrisation consiste à prendre un matériau non conducteur et à le frotter en général avec un tissu de façon à l'électriser, c'est à dire à le charger électriquement. Le fait de frotter l'objet avec un tissu va arracher des électrons aux atomes neutres d'un côté de l'objet pour aller s’agglutiner sur la surface ou le frottement à eu lieu. L'objet en question devient alors un dipôle électrostatique et peu attirer n'importe quels objets neutres électriquement et légers.

Voici un schéma représentant le frottement d'un bâton d'ébonite contre un morceau de fourrure. Au départ, les deux objets sont neutres électriquement. Apres frottement, les électrons se sont déplacés depuis la fourrure vers le bâton d'ébonite lui faisant perdre sa neutralité. Il attire alors les objets neutres.
Voici un schéma représentant le frottement d'un bâton d'ébonite contre un morceau de fourrure. Au départ, les deux objets sont neutres électriquement. Apres frottement, les électrons se sont déplacés depuis la fourrure vers le bâton d'ébonite lui faisant perdre sa neutralité. Il attire alors les objets neutres.

Vous pouvez vous même faire l'expérience en frottant une règle en plastique avec un pull et en attirant des petits morceaux de papier ou même en déviant un filet d'eau.

Le champ électrique

En physique, à toute force d’interaction les physiciens ont l'habitude d'associer un champ de force c'est à dire un objet mathématique qui en tout point de l'espace nous donne la valeur de la force si il y avait une charge à cette endroit.

Prenons l'exemple de la force de gravité. Imaginons que vous êtes seul, vous et la Terre. N'importe ou que vous soyez dans l'univers, vous ressentirez la force d'attraction d'exerce la Terre sur vous, à la différence que vous ressentirez plus cette attraction si vous êtes proches que si vous êtes loin. Et bien le champ gravitationnel, c'est l'être mathématique (Oui les mathématiques méritent d'être traité comme des êtres vivants appart entière) qui en chaque point de l'espace donne une indication sur la force qu'exercera la Terre sur vous si vous vous placez à cet endroit. On dit qu'un champ modifie les propriétés de l'espace même.

Pour le champ électrostatique c'est exactement la même chose. Une particule ayant une charge donnée placée en un point de l'espace modifiera cet espace et les mathématiques nous permettent de prévoir la force de l'interaction qu'aura cette particule avec une seconde particule placée ailleurs dans l'espace. On a souvent l'habitude de représenter le champ électrique par des lignes de champ c'est à dire des lignes ou le champ est constant (Un peu comme les courbes d'altitudes en cartographie par exemple).

LignesChampElectrique
Voici deux schéma de lignes de champ électrique dans deux situations différentes. A gauche, pour deux particules de même charge électrique : nous constatons que les lignes se "repoussent" et sont toutes dirigées vers l'extérieur du système. A droite, deux particules de charges opposées : Les lignes de champ semblent partir d'une particule pour aller vers la seconde particule.

Prenons le schéma de droite représentant deux charges opposées ainsi que les lignes de champ électrique entre les deux. Supposons maintenant que l'on prend un électron et qu'on le place entre la charge négative et la charge positive mais beaucoup plus proche de la charge négative, qu'est ce qu'il se passe ?

Paf ! L'électron se précipite vers la charge positive. On a inventé le courant électrique ! 😀

L'électricité

Vous l'avez compris, l'électricité correspond à un déplacement d'électrons et ce grâce à un champ électrique qui est créé grâce à une différence de charge. Je ne parle pas spécialement de charges opposées car même si les électrons sont entre deux charges toutes deux positives ou toutes deux négatives, ils se déplaceront toujours vers la charge qui les attirent le plus ou qui les repousse le moins.

Mais d'où viennent ces électrons ?

Voici le schéma le plus simple qui soit en électricité. Une lampe (ici représentée avec une croix) alimentée par une pile (en haut). Le tout est relié par des fils et un interrupteur fermé (à gauche).

Intéressons nous aux fils du schéma ci-dessus. Si j'utilise des fils de cuivre, la lampe va s'allumer. En revanche, si j'utilise du bois il est évident que la lampe ne s'allumera pas. Pourquoi ? 

L'explication vient des propriétés physiques à l'échelle atomique et moléculaire de la matière est n'est pas simple du tout parce qu'elle fait intervenir un grand nombre de paramètres différents. En revanche, on peut expliquer très grosso modo qu'elle est la différence entre un matériau conducteur et un matériau résistif.

Voici un schéma d'un atome avec le noyau chargé positivement en son centre et électrons chargés négativement autours. Ces derniers s'organisent en plusieurs couches autour du noyau, et passer d'une couche interne à une couche externe coûte de l'énergie à l'électron.
Voici un schéma d'un atome avec le noyau chargé positivement en son centre et électrons chargés négativement autours. Ces derniers s'organisent en plusieurs couches autour du noyau, et passer d'une couche interne à une couche externe coûte de l'énergie à l'électron.

Pour que le matériau conduise l'électricité, il faut que les électrons puissent sortir et entrer dans le champ d'attraction des noyaux de manière plus ou moins aisée. Cela signifie qu'il faut que la différence de potentiel appliquée doit être suffisamment élevée pour pouvoir arracher des électrons aux noyaux. Évidement, il y a des atomes avec lesquels ils est plus facile de le faire que d'autres car les électrons sont moins "liés".

La différence de charge est couramment appelé la différence de potentiel et s'exprime en Volts et définit la Tension électrique. On parle également d'intensité électrique qui définit la quantité d'électrons circulant par seconde dans un bout de fil, sa valeur dépend à la fois de la tension électrique et de la "liberté" des électrons dans le circuit donc de la conductivité du matériau utilisé. 

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L'électricité est un phénomène très présent dans l'univers puisque les forces et les particules en jeu sont à l'origine de la cohésion de la matière. L'homme maîtrise l'électricité depuis un peu plus de trois cents ans seulement, et sa domestication a été à l'origine de la première révolution industrielle puisque l'électricité a permis d'automatiser de nombreuses productions. L'électricité est un phénomène fascinant dont je ne parle même pas des applications tant elles sont nombreuses mais sachez que ce n'est qu'une petite partie d'une vaste théorie que l'on appelle la théorie électromagnétique et dont les ouvertures sont pratiquement infinies !

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2 commentaires sur “L'électricité”

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