Des batteries de ta télécommande, aux lignes de haute tension, l'électricité joue un rôle crucial dans les équipements de notre vie quotidienne. Cette branche de la physique étudie une propriété essentielle de la nature, jouant un rôle crucial jusqu'aux interactions au niveau atomique.
De nombreux physiciens nous ont permis de comprendre les idées qui se cachent derrière les phénomènes électriques et magnétiques. Beaucoup des plus grands esprits qui n'aient jamais vécu, comme Faraday, qui n'avait aucune formation scientifique et presque aucune compétence mathématique majeure, s'est ensuite révélé être l'un des fondateurs, sinon le fondateur, de l'électromagnétisme. Nous avons aussi des personnes comme Nikola Tesla, qui a été le premier à suggérer que l'utilisation de courants alternatifs AC est meilleure et plus sûre que les courants continus DC et dont les inventions et découvertes dans le domaine de l'électromagnétisme ont été la base sur laquelle notre monde moderne fonctionne. Il y en a encore beaucoup d'autres à mentionner comme Maxwell, Ampère, Ohm, etc.
Dans la suite, nous allons t'initier aux concepts de base de l'électricité en parcourant l'histoire derrière la fondation de cette branche cruciale de la physique. Alors, es-tu prêt à explorer une nouvelle discipline de la physique ?
Figure 1. Un pylône électrique. Source : Pixabay.
Qu'appelle-t-on l'électricité ?
L’électricité est un phénomène provenant de l'interaction et du déplacement de particules chargées.
Les éclairs, l'électricité statique, le fonctionnement de nos appareils électriques, les décharges électriques et bien d'autres phénomènes sont tous liés à la circulation de charges électriques. Voyons quelques-unes des caractéristiques de l'électricité :
- Un champ électrique \(\vec{E}\) est créé lorsqu'une charge électrique, qui peut être positive ou négative, est présente. Le champ est également généré lorsqu'un corps est chargé électriquement c'est-à-dire lorsqu'il contient un ensemble de particules chargées.
- Un champ magnétique \(\vec{H}\) est créé lorsque des charges électriques sont en mouvement.
- Une force \(\vec{F}\) agit sur une charge lorsqu'elle est placée dans une zone où un champ électrique d'une autre particule chargée est présent. La loi de Coulomb détermine l'intensité de cette force.
- Le champ électrique a un impact sur la charge électrique si elle se déplace à l'intérieur de celui-ci.
Courant électrique
Le flux de charges électriques est connu sous le nom de courant électrique \(I\). C'est très utile dans la technologie où le courant alimente les circuits et les dispositifs mécaniques. La charge électrique \(Q\) qui se déplace divisée par le temps nous donne la valeur du courant, qui est mesurée à l'aide de l'unité SI (Système International) Ampère (\(A\)). \[I=\frac{Q}{\Delta t}\]
Potentiel électrique
Le potentiel électrique est le travail à effectuer pour transporter une unité de charge électrique de l'infini à un point M au sein d'un champ électrique. Le potentiel électrique est généralement mesuré en volts (V).
La différence de potentiel électrique (ou la tension électrique) est analogue à la différence de potentiel gravitationnel dans un champ de gravitation.
Puissance électrique
La puissance électrique est le taux avec lequel l'énergie électrique est transférée par un circuit électrique. Il s'agit donc de l'énergie \(E\) divisée par le temps \(\Delta t\). L'unité SI de la puissance électrique est le watt (W), qui est égal au joule (l'unité d'énergie) par seconde. L'énergie électrique est produite par des générateurs électriques et transférée par le réseau électrique. \[P=\frac{E}{\Delta t}\]
Résistance
La résistance électrique est la propriété qu'a un objet d'empêcher le passage du courant. Elle varie en fonction de chaque matériau et de la dimension de l'objet. L'unité SI de la résistance est l'ohm (Ω).
La loi d'Ohm, qui relie la tension électrique, le courant et la résistance, est définie comme suit : pour une différence de potentiel électrique fixe, le courant et la résistance sont inversement proportionnels l'un à l'autre.
La loi d'Ohm s'exprime par la relation :\[U=R.I\] où \(U\) représente la tension électrique, c'est-à-dire la différence de potentiel électrique \(\Delta V\).
Résistivité
La résistivité (ρ) d'un matériau correspond à la résistance d'un morceau de ce matériau dont la section vaut 1 mètre carré et la longueur vaut 1 mètre. Si l'on augmente la longueur ou on diminue la surface, la résistance de l'objet augmente, mais la résistivité, qui est une propriété intrinsèque du matériau, ne varie pas. L'unité SI de la résistivité est l'ohm par mètre (Ω.m).
\[\rho = R.\frac{S}{L}\]
L'inverse de la résistivité est connu sous le nom de conductivité σ, qui est définie comme la propriété qui détermine la facilité avec laquelle un conducteur permet le flux de charge de se déplacer. \[\sigma=\frac{1}{\rho}\]
Composants d'un circuit
Un composant d'un circuit est un dispositif ou un objet qui est utilisé dans les circuits pour stocker de l'énergie, limiter le flux de courant ou réaliser d'autres fonctions utiles. Voici quelques exemples de composants :
- Les résistances ou les conducteurs ohmiques : utilisées pour réguler l'intensité du courant électrique.
- Les condensateurs : utilisés pour stocker l'énergie électrique.
- Les diodes : permettent le passage du courant dans un seul sens.
- Les sources : c'est-à-dire les générateurs de tension ou de courant.
- Les bobines : utilisés pour stocker l'énergie sous forme d'un champ magnétique.
Supraconductivité
La supraconductivité est la propriété qu'ont certains conducteurs d'avoir une résistance nulle au passage du courant. Les supraconducteurs sont donc des matériaux qui offrent une résistance nulle à une température appelée température critique. Pour connaître les températures critiques de certains matériaux, voir le tableau ci-dessous.
| Matériau | Température critique en Kelvin |
| Gallium | 1,1 |
| Plomb | 7,2 |
| Mercure | 4,2 |
| Tungstène | 0,01 |
Les températures critiques trouvées jusqu'à présent pour tout matériau conducteur sont très basses, généralement bien en dessous de zéro Celsius et très proches de zéro kelvin (le zéro absolu à \(-273,16 ^{\circ}C\)).
Quelle est l'histoire de l'électricité ?
Il n'y a pas de moment décisif dans l'histoire de l'électricité. Près de 300 ans d'études et de développement ont permis de déterminer la manière dont nous produisons, distribuons, installons et utilisons l'électricité, ainsi que les appareils qu'elle alimente.
C'est au 18ᵉ siècle que l'électricité a été étudiée, capturée et apprivoisée pour la première fois. Des centaines de "spécialistes des sciences naturelles" en Angleterre, en Europe et dans le nord de l'Amérique ont étudié l'électricité dans la nature pendant les 150 années suivantes, mais la produire en dehors de la nature était un autre défi.
Ce n'est qu'à la fin du XIXᵉ siècle que l'électricité a été générée à grande échelle. Des chercheurs internationaux engagés dans des études scientifiques pures, ainsi que des hommes d'affaires entreprenants, qui ont fait leurs propres découvertes importantes ou qui ont créé, promu et vendu des produits établis sur les idées d'autres personnes, ont contribué à ouvrir la voie à une large utilisation commerciale de l'électricité.
Voici une chronologie de l'évolution de l'électricité :
- 1752 : Benjamin Franklin démontre que la foudre est un phénomène électrique.
- 1800 : La première pile est inventée par Alessandro Volta.
- 1821 : Michael Faraday crée le premier moteur électrique.
- 1826 : Georg Simon Ohm découvre la relation entre la résistance, le courant et la tension, également connue sous le nom de loi d'Ohm.
- 1831 : L'anneau d'induction est inventé par Michael Faraday.
- 1832 : La première dynamo est inventée en France par Hippolyte Pixii.
- 1834 : Le premier moteur à courant continu américain est construit par Thomas Davenport.
- 1835 : Le relais électrique est inventé par Joseph Henry.
- 1839 : William Robert Grove invente la première pile à combustible.
- Années 1860 : La théorie des champs électromagnétiques est développée par James Clerk Maxwell.
- 1876 : La dynamo à bobine ouverte est inventée par Charles F. Brush.
- 1878 : La première ampoule à incandescence inventée par Joseph Swan est présentée à la Société chimique de Newcastle.
- 1879 : L'ampoule à incandescence fonctionnant 40 heures est inventée par Thomas Edison.
- 1879 : La lampe à arc à pinceau est inventée.
- 1881 : Le tramway électrique est inventé par Gustave Trouvé.
- 1882 : Ouverture de la première centrale électrique.
- 1883 : La bobine Tesla est inventée.
- 1884 : L'alternateur électrique est inventé.
- 1886 : Développement du transformateur à bobine d'induction et du réseau électrique à courant alternatif.
- 1888 : Nikola Tesla invente le premier système moderne à courant alternatif.
- 1893 : Le courant alternatif est utilisé pour la première fois pour éclairer les lampadaires.
- 1897 : L'électron est découvert par J. J. Thomson.
Électricité - Points-clés
- Un champ électrique est créé par la présence de charges électriques.
- Le champ électrique a un impact sur les charges électriques qui se trouvent à l'intérieur de celui-ci.
- L'unité SI de la puissance électrique est le watt, qui est égal à un joule par seconde.
- L'énergie électrique est l'énergie exploitée par le mouvement des électrons.
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Lily Hulatt est une spécialiste du contenu numérique avec plus de trois ans d’expérience en stratégie de contenu et en conception de programmes. Elle a obtenu son doctorat en littérature anglaise à l’Université de Durham en 2022, a enseigné au Département d’études anglaises de l’Université de Durham, et a contribué à plusieurs publications. Lily se spécialise en littérature anglaise, langue anglaise, histoire et philosophie.
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Gabriel Freitas est un ingénieur en intelligence artificielle possédant une solide expérience en développement logiciel, en algorithmes d’apprentissage automatique et en IA générative, notamment dans les applications des grands modèles de langage (LLM). Diplômé en génie électrique de l’Université de São Paulo, il poursuit actuellement une maîtrise en génie informatique à l’Université de Campinas, avec une spécialisation en apprentissage automatique. Gabriel a un solide bagage en ingénierie logicielle et a travaillé sur des projets impliquant la vision par ordinateur, l’IA embarquée et les applications LLM.
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