Intensité électrique

Le courant électrique peut ioniser l'air qu'il traverse.

Données clés

Unités SI	Ampère
Dimension	I
Nature	Grandeur scalaire extensive
Symbole usuel	${\displaystyle I}$
Lien à d'autres grandeurs	${\displaystyle I}$ = ${\displaystyle {\partial \over \partial t}}$${\displaystyle q}$ ${\displaystyle I_{e}}$${\displaystyle =\iint _{\Sigma }}$ ${\displaystyle {\vec {j}}}$ ⋅ ${\displaystyle {\vec {\mathrm {d} S}}}$ ${\displaystyle W}$ = ${\displaystyle {\frac {1}{2}}L}$. ${\displaystyle I^{2}}$ ${\displaystyle U}$ = ${\displaystyle -L}$.${\displaystyle {\frac {\partial }{\partial t}}}$${\displaystyle (I)}$

Un courant électrique est un mouvement d'ensemble de porteurs de charges électriques, généralement des électrons, au sein d'un matériau conducteur. Ces déplacements sont imposés par l'action de la force électromagnétique, dont l'interaction avec la matière est le fondement de l'électricité.

Généralités

On doit au physicien français André-Marie Ampère la distinction entre courant et tension électriques. Au début de l'étude de la conduction de l'électricité, les scientifiques ont pensé que les particules qui se déplaçaient dans les métaux étaient chargées positivement et ont défini en conséquence un sens conventionnel du courant comme étant le sens de déplacement des charges positives. Plus tard, on a mis en évidence que ce sont très majoritairement les électrons, particules chargées négativement, qui se déplacent dans les métaux et qui permettent la circulation des courants électriques^[1].

En effet, dans un conducteur métallique, les particules chargées et mobiles sont des électrons, peu liés aux atomes, auxquels ils appartiennent (on dit que ces électrons se trouvent dans la bande de conduction). On peut considérer qu'ils se déplacent facilement dans le matériau métallique. Lorsqu'une différence de potentiel est appliquée aux extrémités du conducteur, elle provoque le déplacement de ces électrons, ce que l'on appelle courant électrique. Le réseau des atomes contient des ions positifs : les atomes qui ont perdu un ou plusieurs électrons. Mais ces derniers, prisonniers du réseau par les liaisons métalliques, sont quasiment immobiles et ne participent que de manière infime à la circulation du courant.

En revanche, dans les électrolytes, solutions contenant simultanément des ions chargés positivement et des ions chargés négativement, toutes les particules chargées participent à la circulation du courant. Les charges positives circulent dans le sens conventionnel et les charges négatives dans l'autre sens.

Les matériaux qui possèdent beaucoup de porteurs de charge libres et qui sont donc facilement traversés par un courant électrique sont dits conducteurs, ceux qui n'en possèdent pas ou très peu sont dits isolants ou diélectriques.

Par exemple : l'air est un excellent isolant, mais au-delà d'un certain seuil, lorsque le champ électrique est trop grand, les électrons sont arrachés aux atomes, et ces derniers deviennent des particules ionisées ou ions. L'air se transforme ainsi localement en un plasma. Le plasma étant un conducteur parfait, il laisse passer le courant électrique : de l'éclair à l'étincelle.

Certains dispositifs peuvent laisser passer le courant électrique dans un sens, mais pas dans l'autre. C'est le cas des diodes. Celles-ci sont réalisées soit avec des jonctions de semi-conducteurs dopés différemment (jonction P-N ou jonction métal semi-conducteur), soit avec des tubes à vide.

Utilisation

La propagation de l'influx électrique peut servir à son utilisation à distance comme source d'énergie, comme vecteur énergétique initié au premier quart du XIX^e siècle^[2].

Elle peut servir aux transmissions d'informations, depuis le simple télégraphe, jusqu'aux systèmes modernes de traitement et d'échange d'informations (ordinateur, informatique). Dans ce cas, une ou plusieurs caractéristiques du courant électrique sont contrôlées et modulées par l'émetteur de l'information pour construire un signal électrique. Dans le cas du télégraphe, les seules présence et absence (suivant un rythme codé) du courant électrique transmettaient l'information.

Le XX^e siècle a vu se développer l'utilisation de nombreux autres phénomènes pour contrôler le courant électrique qui sont très largement utilisés en électronique. Grâce à eux, il est possible de traiter le courant électrique (mais aussi les ondes électromagnétiques) comme un vecteur d'information, un signal électrique (ou électromagnétique) à l'échelle microscopique.

Analogie avec un écoulement fluide

Modèle d'analogie

Une analogie intéressante pour comprendre de façon simple les notions d'intensité du courant et de différence de potentiel peut être faite avec l'écoulement d'un fleuve. Celui-ci s'écoule d'amont vers aval avec une quantité d'eau bien définie et un dénivelé variable en fonction du terrain. Supposons que ce fleuve ait une largeur fixe de 20 mètres, une profondeur fixe de trois mètres et que l'eau soit au plus haut niveau, la quantité d'eau à un instant donné et dans une longueur du fleuve donnée est quantifiable (un mètre linéaire de fleuve contient 60 m³ d'eau). La quantité d'eau est l'analogue de la quantité de charge électrique.

Le dénivelé, différence d'altitude entre le point haut et le point bas du fleuve, peut être assimilé à la différence de potentiel (ou tension), le débit du fleuve à l'intensité du courant et la taille du fleuve à la section d'un câble électrique.

De la même façon que c'est le dénivelé qui met l'eau en mouvement, c'est la différence de potentiel qui met les électrons en mouvement.

Symbole utilisé dans un schéma de circuit électrique du Générateur d'un courant constant idéal.

En résumé, l'intensité (ampère) est analogue au débit du fleuve (m³/s), la différence de potentiel (volt) étant analogue au dénivelé.

Types de courants

• Courant continu pour la plupart des utilisations dont la source peut être, entre autres, un générateur de type pile ou batterie d'accumulateurs.
• Courant alternatif généralement sinusoïdal mais peut aussi, par exemple, être carré.

Sens du courant électrique

Par convention, dans un circuit électrique en boucle simple et en courant continu, le courant électrique sort du générateur électrique par la borne positive (+), traverse le circuit électrique et revient au générateur par sa borne négative (-). Cette convention est dite « récepteur » (le courant circule dans le sens des potentiels décroissants, la tension et le courant sont « orientées » dans le sens contraire)^[3].

C'est ce qu'on appelle le sens conventionnel du courant électrique, il peut être différent du sens réel de déplacement des porteurs de charge.

Ainsi lorsque les porteurs de charge sont des électrons (cas le plus fréquent), ou des anions leur mouvement effectif est du - vers le +, sens de déplacement des particules chargées négativement donc attirées par le positif.

Au contraire cations et trous d'électrons se déplacent dans le sens conventionnel du courant, à savoir de la borne positive (+) vers la borne négative (-) du générateur.

Dans la convention dite « générateur », le courant circule dans le sens des potentiels croissants, la tension et le courant sont « orientées » dans le même sens^[3].

Grandeurs physiques

Densité de courant

En tout point d'une surface S, se définit la densité de courant j et le vecteur surface élémentaire dS.

La densité de courant est un vecteur décrivant le courant électrique à l'échelle locale. Sa direction indique celle du déplacement des porteurs de charge (mais son sens peut être opposé pour des porteurs négatifs) et sa norme correspond à l'intensité du courant par unité de surface. Elle est reliée au courant électrique par :

${\displaystyle i=\iint _{S}{\vec {\jmath }}\cdot \mathrm {d} {\vec {S}}}$

où :

• ${\displaystyle i}$ est l'intensité du courant ;
• ${\displaystyle S}$ est une surface ;
• ${\displaystyle {\vec {\jmath }}}$ est le vecteur densité de courant ;
• ${\displaystyle \mathrm {d} {\vec {S}}}$ est le vecteur surface élémentaire.

Dans le système international d'unités, la densité de courant se mesure en ampères par mètre carré (A m-2).

Vitesse de propagation

La propagation de l'influx électrique se fait à une vitesse voisine de celle de la lumière (aux effets capacitifs près), mais ce n'est pas du tout la vitesse des électrons qui le constituent. Ceux-ci voyagent beaucoup plus modestement à quelques centièmes de millimètre par seconde, en fonction de l'intensité du courant et de la section du conducteur.

Notes et références

Voir aussi