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ÉLECTRICITÉ Lois et applications

L'électrocinétique

La conduction, les générateurs, la loi d'Ohm

Les charges présentes dans la matière sont plus ou moins liées. Dans le cas des métaux, on trouve un grand nombre d'électrons quasi libres de se déplacer à l'intérieur du matériau ; les métaux sont de bons conducteurs de l'électricité. Il existe à l'inverse des corps où les charges sont complètement liées, ce sont les isolants. Entre ces deux extrêmes, on trouve les semi-conducteurs (composés formés à partir du silicium ou du germanium) où les porteurs de charges sont relativement peu nombreux. Ainsi, bien que neutre, un conducteur possède des charges mobiles, les porteurs de charges, qui assurent la conduction. On définit l'intensité I, en ampères (A), comme la charge s'écoulant par unité de temps : I = dq/dt.

Dans un conducteur en équilibre électrostatique, le champ électrique et, donc, la force électrique sont nuls : les charges sont au repos. Un dispositif extérieur, le générateur, est alors nécessaire pour mettre ces charges en mouvement : il entretient dans le conducteur un champ électrique qui exerce une force sur les porteurs de charges et provoque le passage d'un courant électrique. Le générateur est caractérisé par sa force électromotrice e (ou fem), qui donne la différence de potentiel à ses bornes lorsqu'il débite un courant nul.

Il existe donc une différence de potentiel V aux bornes d'un conducteur parcouru par l'intensité I. Dans certains cas (conducteurs ohmiques), il existe une relation V = RI (loi d'Ohm) où R, résistance du conducteur, caractérise le « freinage » des porteurs de charge. Elle s'exprime en ohms (Ω). La résistance dépend de la forme et de la nature du matériau. Par exemple, pour un conducteur cylindrique de section S et de longueur L, on montre que R = ρ (L/S), où r est la résistivité du matériau (son inverse σ = 1/r est la conductivité dont la valeur est d'autant plus élevée que le corps est meilleur conducteur).

La puissance dissipée dans un conducteur s'exprime par P = VI. Dans le cas d'une résistance, elle correspond à l'effet Joule : P = RI2. La puissance s'exprime en watts (W).

Divers conducteurs et générateurs peuvent être assemblés pour constituer un réseau dans lequel les lois de l'électrocinétique (lois de Kirchhoff) permettent de calculer les diverses intensités. Ces lois sont établies pour des courants continus mais restent valables si les circuits sont parcourus par des courants variant lentement au cours du temps (tels les courants alternatifs I(t) = Imcosωt) dont les fréquences f = ω/2π restent inférieures à quelques centaines de kHz. Cela constitue l'approximation des états quasi stationnaires (ou A.E.Q.S.).

Les ordres de grandeur, les applications

Les applications de l'électrocinétique sont omniprésentes dans le monde actuel. On distingue deux domaines : le domaine des courants faibles, ne dépassant pas des intensités de l'ordre de l'ampère, c'est celui de l'électronique de faible puissance (ordinateur, téléphonie, circuits de commande, microprocesseurs) et le domaine des courants forts (des dizaines ou des centaines d'ampères) qui est celui des applications domestiques, de l'électronique de puissance et de l'électrotechnique (moteurs, alternateurs).

Les ordres de grandeur des conductivités sont pour les métaux : σ ≙ 106 Ω—1 m—1, pour les isolants : σ ≙ 10—6 Ω—1 m—1, et pour les semi-conducteurs : 106 > σ > 10—4 Ω—1 m—1.

L'effet Joule permet de convertir de l'énergie électrique en énergie thermique. Bien que parfois cet effet soit nuisible (pertes d'énergie), il connaît néanmoins des applications très importantes comme le chauffage et l'éclairage à incandescence (« la fée électricité » a changé le paysage[...]

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Écrit par

. In Encyclopædia Universalis []. Disponible sur : (consulté le )

Médias

Principaux phénomènes électriques et lois fondamentales qui les régissent - crédits : Encyclopædia Universalis France

Principaux phénomènes électriques et lois fondamentales qui les régissent

La fée électricité - crédits : Encyclopædia Universalis France

La fée électricité

Création d'un champ électrique - crédits : Encyclopædia Universalis France

Création d'un champ électrique

Autres références

  • AMPÈRE ANDRÉ-MARIE (1775-1836)

    • Écrit par Louis POUDENSAN
    • 1 788 mots
    • 1 média
    Jusqu'en 1820, on connaissait l'électricité grâce à la pile de Volta et à la balance de Coulomb. On connaissait aussi le magnétisme et la lumière. Mais entre ces trois ordres de phénomènes, on n'établissait aucune relation, et, ignorant leur nature intime, on ne savait même pas déterminer et régler...
  • BIPM (Bureau international des poids et mesures)

    • Écrit par Céline FELLAG ARIOUET
    • 1 575 mots
    ...maintient des étalons de référence utilisés pour conduire ces comparaisons et assure des étalonnages dans le cadre de ces comparaisons. Pour le domaine de l’électricité, par exemple, le BIPM effectue des comparaisons et des étalonnages des étalons primaires nationaux pour les grandeurs électriques les plus...
  • BRAUN KARL FERDINAND (1850-1918)

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 272 mots

    Né le 6 juin 1850 à Fulda (Allemagne), Karl Ferdinand Braun fit ses études universitaires à Marburg et à Berlin. Après une thèse sur l'oscillation des cordes élastiques, il obtint divers postes d'enseignant qui le menèrent successivement à Würzburg, Leipzig, Marburg, Strasbourg (alors allemande),...

  • CAVENDISH HENRY (1731-1810)

    • Écrit par Jacques GUILLERME
    • 1 852 mots
    • 1 média
    C'est en se fondant sur le modèle newtonien de l'attraction qu'il entreprit de déterminer les interactions des charges électriques sur les conducteurs ; non seulement il formule une théorie correcte de la distribution des charges dans les condensateurs, mais vérifie expérimentalement que les actions...
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Voir aussi