Le courant électrique dans les métaux
Le courant électrique dans les métaux:Un courant hydraulique correspond à un déplacement d’eau. Qu’est ce qui se déplace dans le cas du courant électrique dans un métal ?
Réponse : comme l’indique son nom, le courant électrique dans un métal est un déplacement d’électrons. Comment s’effectue ce mouvement ?
- Des électrons libres dans les métaux
Un atome est composé d’électrons qui tournent autour d’un noyau. Dans un métal, les atomes possèdent chacun un ou plusieurs électrons faiblement liés au noyau. Ces électrons se déplacent facilement d’un noyau à l’autre au sein du métal, ils sont appelés électrons libres. Les atomes métalliques qui ont chacun un ou plusieurs électrons en moins sont donc des ions positifs.
Dans un circuit électrique ouvert, il n’y a pas de courant. On pourrait donc penser que les électrons libres sont immobiles. Ce n’est pas du tout le cas : les électrons libres se déplacent, mais de façon totalement désordonnée.
- Qu’est ce que le courant électrique ?
Quand on ferme le circuit électrique, un courant électrique s’établit si le circuit comporte un générateur. Sous l’action de ce dernier, tousles électrons libres du circuit se déplacent dans le même sens et la même direction.
Dans un circuit électrique, le courant est un mouvement d’ensemble et ordonné des électrons libres mis en action par le générateur.
- Le sens du courant
Les électrons chargés négativement sont attirés par la borne positive du générateur ; c’est d’ailleurs pour cette raison qu’ils se déplacent. Ils se déplacent donc de la borne « – » vers la borne « + » du générateur. Nous savons pourtant que le sens conventionnel du courant est le sens opposé : de la borne « + » vers la borne « – » du générateur. D’où vient cette contradiction ?
Pour trouver l’explication, il faut revenir à l’histoire de l’électricité. En effet, après l’invention par Alessandro Volta de la pile en 1800, les scientifiques se rendent compte que quelque chose se déplace dans les circuits électriques. Ils ne savent pas vraiment ce qui se déplace ni dans quel sens puisque l’électron n’a été découvert qu’en 1897. Par analogie avec le courant hydraulique qui se déplace toujours du haut vers le bas, les scientifiques ont décidé, par convention, que le courant se déplaçait de la borne « + » vers la borne « – » du générateur. Avec la découverte de l’électron, ils se sont aperçus que leur choix n’était pas le bon mais, comme l’habitude avait été prise, on travaille toujours de nos jours avec le sens conventionnel du courant et non avec son sens réel qui est celui des électrons.
- La vitesse de déplacement des électrons
Lorsqu’on allume une lampe à incandescence, la lumière jaillit instantanément. On peut donc penser que la vitesse des électrons libres dans le circuit est très grande. Il n’en est rien : la vitesse moyenne d’un électron dans un circuit est de l’ordre de quelques millimètres par minute. Comment expliquer alors que l’allumage soit instantané ?
Pour le comprendre, il faut de nouveau rappeler que le courant est un mouvement d’ensemble des électrons libres du circuit. Cela signifie que, dès que l’on ferme le circuit, tous les électrons libres se mettent en mouvement pratiquement ensemble. La mise en mouvement est très rapide (elle s’effectue à une vitesse proche de celle de la lumière, soit environ 300 000 km/s) mais le mouvement de chaque électron est très lent.
La résistance électrique
Pourquoi, dans les câbles électriques, trouve-t-on certains matériaux tels que le cuivre plutôt que d’autres ?
Réponse : certains matériaux comme le cuivre conduisent le courant bien mieux que d’autres. Quelle propriété explique ce phénomène ?
- Qu’est-ce que la résistance électrique ?
Lorsqu’on insère différents matériaux (du graphite puis du cuivre, par exemple) dans un petit circuit électrique contenant une lampe, on constate que la lampe ne brille pas du même éclat. Le courant électrique est plus intense avec le cuivre qui est donc un meilleur conducteur. Cela signifie que le graphite s’oppose plus au passage du courant dans le circuit que le cuivre. On dit que ces deux matériaux ne possèdent pas la même résistance au passage du courant.
De manière générale, tous les conducteurs possèdent une propriété qui s’appelle la résistance électrique : celle-ci traduit la capacité à s’opposer plus ou moins au passage du courant. Ainsi, la résistance du cuivre étant plus faible que celle du graphite, c’est un meilleur conducteur.
On sait déjà mesurer l’intensité du courant et la tension électrique mais comment peut-on mesurer la résistance électrique ?
- Comment peut-on mesurer une résistance ?
Comme pour toute grandeur, il est nécessaire de savoir en quelle unité de mesure s’exprime la résistance électrique. Celle-ci se mesure en ohms (de symbole Ù).
On utilise également très fréquemment le kiloohm (symbole kÙ ;1 kÙ = 1 000 Ù) et le mégaohm (symbole MÙ ; 1 MÙ = 1 000 000 Ù).
Pour mesurer la résistance d’un conducteur, on utilise un ohmmètre. Il faut simplement placer cet appareil aux bornes du conducteur en dehors de tout circuit. Si on effectue un certain nombre de mesures, on constate que les matériaux présentent des résistances de valeurs extrêmement diverses.
Exemples :
Un morceau de cuivre a une résistance de l’ordre de quelques centièmes d’ohms, tandis que la résistance d’une mine de crayon est de l’ordre de 10 Ù.
La résistance du corps humain sec a une valeur de l’ordre de 1 MÙ, tandis que lorsqu’il est mouillé, la valeur est environ divisée par un facteur 2 (ces valeurs diffèrent selon les personnes).
Si on cherche à mesurer la résistance d’un isolant (comme le bois sec, la laine, le verre, etc.), l’ohmmètre ne peut donner aucune valeur, ce qui signifie que ces isolants ont une résistance très grande.
- Quelle est l’influence d’une résistance dans un circuit ?
Nous venons de voir que la résistance du cuivre était bien inférieure à celle du graphite. On peut maintenant interpréter l’expérience de la façon suivante : la lampe brille plus avec le cuivre parce que la valeur de sa résistance est beaucoup plus faible. En généralisant, on obtient le résultat suivant : plus la résistance dans un circuit augmente, plus l’intensité du courant électrique dans ce circuit diminue.
Ce résultat a de nombreuses applications :
— dans des circuits électroniques, on utilise souvent des résistances pour limiter l’intensité du courant. Les bagues colorées dont elles sont cerclées indiquent, grâce à un code de couleurs, la valeur approximative de la résistance ;
— pour faire varier le volume sonore des baladeurs, on fait varier la résistance du circuit qui alimente le haut-parleur ;
— un variateur de d’intensité sur une lampe halogène fonctionne également sur le même principe.
La loi d’Ohm
Pourquoi est-il dangereux d’utiliser des appareils électriques dans une salle de bain ?
Réponse : l’humidité de la salle de bains diminue la résistance électrique du corps humain ; celui-ci peut alors être plus facilement parcouru par un courant.
- Trois grandeurs liées
Dans la situation évoquée ci-dessus, l’intensité du courant et la résistance ne sont pas les seuls facteurs qui importent. La tension électrique joue également un rôle primordial : utiliser un baladeur (tension de 4,5 V) dans la salle de bains, est-ce aussi dangereux qu’utiliser un sèche-cheveux (tension de 220 V) ?
Non, car une tension de 4,5 V ne produit pas dans le corps humain une intensité suffisamment dangereuse, que le corps soit sec ou mouillé.
Existe-t-il une relation entre la tension, l’intensité et la résistance qui permette de comprendre ces faits ?
Oui, cette relation a été établie pour la première fois en 1827 par le physicien Georg Simon Ohm et se nomme la loi d’Ohm.
- Un résultat expérimental
Pour retrouver cette loi expérimentalement, nous pouvons réaliser un circuit en série comportant un générateur, une résistance (de valeur R = 39 Ù) et un rhéostat. En faisant varier la résistance du rhéostat, nous faisons varier l’intensité I du courant dans le circuit. Branchons alors un voltmètre en dérivation aux bornes de la résistance R et mesurons les variations de la tension U.
Grâce à ce montage, on peut tracer un graphique représentant la variation de la tension U aux bornes de la résistance de valeur R en fonction de l’intensité I du courant qui le traverse. La courbe obtenue s’appelle la caractéristique de la résistance.
On trace une droite qui passe le plus près possible d’un grand nombre de points. Elle passe par l’origine. Mathématiquement, cela signifie simplement que U et I sont des grandeurs proportionnelles. Le coefficient directeur de la droite se détermine en divisant l’ordonnée U d’un point par son abscisse I. Prenons, par exemple, les coordonnées du point B pour calculer ce coefficient ; on trouve : .
Cette valeur n’est autre que celle de la résistance R ; on en déduit que :
ou U = R × I
- Énoncé et conséquences de la loi d’Ohm
La loi d’Ohm s’énonce donc ainsi : la tension U aux bornes d’une résistance est proportionnelle à l’intensité I du courant qui le traverse et ce coefficient de proportionnalité n’est autre que la valeur R de la résistance: U = R × I où la tension U est exprimée en volts (V), l’intensité I en ampères (A) et R en ohms (Ù).
De cette loi, on peut tirer quelques enseignements utiles :
— pour une valeur donnée de la résistance, l’intensité du courant augmente si la tension augmente (et inversement) ;
— pour une tension donnée (par exemple 220 V), si la résistance diminue, l’intensité augmente.
Remarque : si on traçait la caractéristique d’une lampe ou du corps humain, celle-ci ne serait pas une droite ; la relation de proportionnalité entre la tension et l’intensité ne pourrait pas s’appliquer (il existe d’autres relations plus complexes qui permettent de relier la tension, la résistance et l’intensité dans ces cas-là). Cependant, les enseignements qui précèdent s’appliquent quand même à la lampe ou au corps humain.
L’influence du matériau et de la géométrie sur la résistance électrique
Pourquoi les fils de fusibles n’ont-ils pas tous le même diamètre ?
Réponse : plus le fil est fin, plus l’intensité de courant nécessaire pour le casser est faible. Est-ce dû à la résistance du fil ? De quels facteurs dépend celle-ci ?
- La résistance dépend-elle du matériau ?
Oui, les matériaux n’ont pas tous la même résistance. Il existe, en gros, deux types de matériaux :
— les matériaux conducteurs qui possèdent une résistance électrique faible (tous les métaux, le carbone) ;
— les matériaux isolants qui possèdent une résistance électrique élevée (le verre, les matériaux plastiques, le bois sec, etc.).
Comment peut-on expliquer cette différence ?
Il existe dans les matériaux conducteurs de petites particules chargées électriquement et libres de se déplacer. On les appelle les électrons libres. Ce sont eux qui constituent le courant électrique dans un circuit. Dans les matériaux isolants, il y a très peu d’électrons libres donc quasiment aucun courant ne peut les parcourir.
Notons que tous les matériaux conducteurs ne conduisent pas le courant de la même façon ; ils n’ont pas la même résistance au passage du courant. Par exemple, un fil de cuivre a une résistance environ 6 fois plus petite qu’un fil de fer et 30 fois plus petite qu’un fil de carbone (ceci pour des fils de dimensions identiques).
- La résistance d’un fil conducteur dépend-elle de sa longueur ?
Oui ! Si on prend un fil d’un métal quelconque, on constate que la résistance de ce fil double quand on double sa longueur.
Comment interpréter ce résultat ?
Plus le chemin à parcourir est long, plus les électrons libres se voient opposer de résistance à leur passage. Donc plus la longueur d’un fil est grande, plus sa résistance augmente.
- La résistance d’un fil conducteur dépend-elle de son diamètre ?
Oui ! Si on prend des fils cylindriques d’un métal quelconque mais de diamètres différents, on constate que la résistance diminue quand le diamètre du fil augmente.
Comment interpréter ce résultat ?
Plus le passage offert aux électrons libres est étroit, plus la difficulté pour circuler est importante : un chemin étroit leur oppose plus de résistance qu’un chemin large.
- Comment choisir un matériau électrique ?
Un matériau électrique a essentiellement deux champs d’application : conduire l’électricité ou produire de la chaleur. En effet, lorsque le courant circule dans une résistance, l’électricité se transforme en chaleur et ceci d’autant plus que la valeur de la résistance est grande (ce phénomène s’appelle l’effet Joule). On choisira un matériau en fonction du champ d’application souhaité et de l’usage que l’on veut en faire.
Exemples :
Pour des lignes de transport de l’énergie électrique à très haute tension, étant données les longueurs des lignes électriques, il est important d’utiliser un matériau conducteur de résistance peu élevée ; il faut également qu’il soit léger. Le choix d’EDF s’est porté sur l’aluminium.
Dans certaines technologies de pointe (comme les ordinateurs), on utilise le meilleur conducteur qui soit : l’argent (malgré son prix élevé).
Le fil d’un fusible doit chauffer et fondre si le courant est trop important. Le matériau doit donc être un conducteur qui fond à une température peu élevée. Un alliage de plomb et d’étain convient bien.
Au contraire, les résistances des fers à repasser, lave-linge, radiateurs électriques, grille-pain, etc. doivent chauffer mais ne pas fondre : il faut donc utiliser un matériau conducteur qui fond à une température très élevée. C’est en général un alliage de nickel et de chrome qui est utilisé.