ÉLECTRICITÉLois et applications

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L'électricité est généralement perçue comme une source d'énergie améliorant nos conditions de vie. Il est vrai que l'électricité a provoqué, d'une part, une véritable révolution technologique ayant des conséquences sans précédent dans l'histoire et, d'autre part, des répercussions sociologiques liées aux modifications des conditions du travail humain. Si l'utilisation pour l'éclairage, en particulier l'éclairage public, fut une des premières applications, celles qui suivirent n'ont jamais cessé de se répandre et de se perfectionner. On ne compte pas les emplois du moteur électrique, depuis le lave-linge jusqu'au métro et au T.G.V. Que seraient la radio, la télévision, le téléphone et plus généralement les télécommunications sans électricité ? Et aurait-on pu sans elle assister à la révolution informatique de ces dernières années ?

Si ces aspects pratiques sont particulièrement visibles, la compréhension scientifique des phénomènes électriques a nécessité un long cheminement. Les forces (ou interactions) électriques font en effet intervenir un aspect caché du monde physique : la structure microscopique de la matière (l'électron en particulier). On comprend donc que, pour les physiciens, après la découverte des lois qui régissent les phénomènes macroscopiques, l'étude des phénomènes électriques, au sens large, soit allée de pair avec celle de la matière. Les lois générales de l'électromagnétisme ont ainsi très vite dépassé l'étude des « courants électriques » : elles expliquent le rayonnement électromagnétique et ses interactions avec la matière. Le phénomène électrique au sens large est d'ailleurs lui-même sorti du cadre de la physique proprement dite puisqu'on le retrouve dans d'autres sciences telles que la chimie (par exemple les liaisons chimiques) et la biologie (par exemple l'électrophysiologie) avec les applications médicales qui en découlent.

Après un rappel des lois fondamentales (cf. tableau), cet article passe en revue les divers aspects de ces lois et leurs applications dans les différents domaines de l'électricité : l'électrostatique (étude des forces s'exerçant entre les charges électriques) ; l'électrocinétique (le passage du courant électrique dans les conducteurs) ; la magnétostatique et le magnétisme (étude du champ magnétique et des forces entre courants électriques) ; l'électromagnétisme (utilisation des ondes électromagnétiques) ; la distribution du courant électrique et les problèmes de sécurité afférents.

Principaux phénomènes électriques et lois fondamentales qui les régissent

Tableau : Principaux phénomènes électriques et lois fondamentales qui les régissent

Les principaux phénomènes électriques et les lois fondamentales qui les régissent. 

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La fée électricité

Vidéo : La fée électricité

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L'électrostatique

La matière est électriquement neutre puisqu'elle est composée d'atomes qui comportent autant d'électrons (chargés négativement) que de protons (chargés positivement). L'électrisation correspond à un gain ou à une perte d'électrons par rapport à la neutralité. Toute charge électrique est donc un multiple entier d'une charge insécable « e », dite charge élémentaire, la charge de l'électron étant égale à —e.

La loi de Coulomb

Le phénomène d'électrisation se manifeste par l'existence de forces électrostatiques s'exerçant entre corps électrisés. Ces forces sont attractives pour deux charges de signes contraires et répulsives pour deux charges de même signe. Ainsi, l'électrostatique est construite à partir de la loi de Coulomb qui, comme la loi de Newton, précise que la force électrostatique s'exerçant entre deux charges ponctuelles est inversement proportionnelle au carré de la distance : F = (1/4πε0) (Qq/r2) u (où u est un vecteur unitaire et ε0 la permittivité du vide, ε0 = 107/4πc2, c étant la célérité de la lumière dans le vide). Cette loi postule la possibilité d'une action à distance sans contact matériel et introduit le concept de champ électrostatique : la charge Q crée en tout point de l'espace une perturbation, le vecteur champ électrostatique E = (1/4πε0) (Q/r2) u. La charge q placée dans ce champ E est alors soumise à la force F = qE (fig. 1).

Création d'un champ électrique

Dessin : Création d'un champ électrique

La charge Q crée un champ électrique en tout point de l'espace, ce champ exerce une force sur toute autre charge q. 

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Ces notions sont généralisées au cas de diverses distributions de charges.

La fonction potentiel électrostatique (V) permet d'évaluer le travail (W) des forces électrostatiques pour amener une charge q d'un point A à un point B en fonction de la différence de potentiel : WAB = q(VA —VB) Dans le cas d'une charge ponctuelle, la fonction potentiel s'exprime par V(r) = (1/4πε0) (Q/r) + Cte. Le potentiel électrique s'exprime en volts (V), le champ électrique en volts par mètre (V.m—1).

Les ordres de grandeur, les applications

L'unité de charge étant le coulomb (C), la charge élémentaire vaut e = 1,6 × 10—19 C.

Dans les phénomènes électrostatiques, les charges mises en jeu sont généralement faibles et font intervenir, à notre échelle, des nombres énormes de charges élémentaires et des différences de potentiel généralement élevées (des dizaines voire des centaines de kV).

Le champ électrique est nul dans les conducteurs (même dans les cavités) en équilibre électrostatique. Cela s'applique aux blindages électrostatiques permettant d'isoler les actions électrostatiques (par exemple, la cage de Faraday).

Au voisinage d'un conducteur, le champ électrique est perpendiculaire à sa surface et peut être très intense si la surface forme une pointe. Cette propriété est exploitée par exemple avec les paratonnerres ou pour obtenir des décharges électriques dans l'air (l'air peut devenir conducteur si une différence de potentiel de l'ordre de 30 000 volts est maintenue entre des pointes distantes de 1 cm).

Le champ électrique permet de communiquer de l'énergie aux particules électrisées ; on utilise ce fait dans les « canons à électrons » des tubes cathodiques (téléviseur, oscilloscope, moniteur d'ordinateur), pour la production des rayons X (radiographie, scanner) et dans les accélérateurs de particules (cyclotrons).

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Principaux phénomènes électriques et lois fondamentales qui les régissent

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Pour citer l’article

Jean-Marie DONNINI, Lucien QUARANTA, « ÉLECTRICITÉ - Lois et applications », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 25 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/electricite-lois-et-applications/