Électricité

L’électricité est l’ensemble des phénomènes physiques associés à la présence et au mouvement de la matière qui possède une propriété de charge électrique . L’électricité est liée au magnétisme , tous deux faisant partie du phénomène de l’électromagnétisme , tel que décrit par les équations de Maxwell . Divers phénomènes courants sont liés à l’électricité, notamment la foudre , l’électricité statique , le chauffage électrique , les décharges électriques et bien d’autres.

La foudre et l’Éclairage urbain sont parmi les effets les plus dramatiques de l’électricité

La présence d’une charge électrique , qui peut être positive ou négative, produit un champ électrique . Le mouvement des charges électriques est un courant électrique et produit un champ Magnétique .

Lorsqu’une charge est placée dans un endroit avec un champ électrique non nul, une force agit dessus. L’amplitude de cette force est donnée par la loi de Coulomb . Si la charge se déplace, le champ électrique effectuerait un travail sur la charge électrique. Ainsi, nous pouvons parler de potentiel électrique à un certain point de l’espace, qui est égal au travail effectué par un agent externe pour transporter une unité de charge positive d’un point de référence arbitrairement choisi à ce point sans aucune accélération et est généralement mesuré en volts .

L’électricité est au cœur de nombreuses technologies modernes, utilisée pour :

Énergie électrique où le courant électrique est utilisé pour alimenter l’équipement ;
Électronique qui traite des circuits électriques qui impliquent des composants électriques actifs tels que des tubes à vide , des transistors , des diodes et des circuits intégrés , ainsi que les technologies d’interconnexion passives associées.

Les phénomènes électriques sont étudiés depuis l’Antiquité, bien que les progrès de la compréhension théorique soient restés lents jusqu’aux XVIIe et XVIIIe siècles. La théorie de l’électromagnétisme a été développée au 19e siècle et, à la fin de ce siècle, l’électricité était utilisée à des fins industrielles et résidentielles par des ingénieurs électriciens . L’expansion rapide de la technologie électrique à cette époque a transformé l’industrie et la société, devenant une force motrice de la deuxième révolution industrielle . L’extraordinaire polyvalence de l’électricité signifie qu’elle peut être utilisée pour un ensemble presque illimité d’applications, notamment le transport , le chauffage , l’éclairage , les communications et l’ informatique .. L’énergie électrique est aujourd’hui l’épine dorsale de la société industrielle moderne. ^[1]

Histoire

Thales , le premier chercheur connu en électricité

Bien avant l’existence de toute connaissance de l’électricité, les gens étaient conscients des chocs causés par les poissons électriques . Les textes égyptiens antiques datant de 2750 avant notre ère appelaient ces poissons le “Tonnerre du Nil ” et les décrivaient comme les “protecteurs” de tous les autres poissons. Les poissons électriques ont de nouveau été signalés des millénaires plus tard par les anciens naturalistes et médecins grecs , romains et arabes . ^[2] Plusieurs écrivains anciens, tels que Pline l’Ancien et Scribonius Largus , ont attesté de l’effet engourdissant des décharges électriques délivrées par le poisson-chat électrique .et des rayons électriques , et savait que de tels chocs pouvaient se propager le long d’objets conducteurs. ^[3] Les patients souffrant de maux tels que la goutte ou les maux de tête devaient toucher des poissons électriques dans l’espoir que la puissante secousse puisse les guérir. ^[4]

Les cultures anciennes du pourtour méditerranéen savaient que certains objets, comme les tiges d’ ambre , pouvaient être frottés avec de la fourrure de chat pour attirer des objets légers comme des plumes. Thalès de Milet a fait une série d’observations sur l’électricité statique vers 600 avant notre ère, à partir desquelles il pensait que le frottement rendait l’ambre Magnétique , contrairement aux minéraux tels que la magnétite , qui ne nécessitaient aucun frottement. ^{[5] [6] [7] [8]} Thales avait tort de croire que l’attraction était due à un effet Magnétique, mais la science ultérieure prouvera un lien entre le magnétisme et l’électricité. Selon une théorie controversée, les Parthespeut avoir eu connaissance de la galvanoplastie , basée sur la découverte en 1936 de la batterie de Bagdad , qui ressemble à une cellule galvanique , bien qu’il ne soit pas certain que l’artefact soit de nature électrique. ^[9]

Benjamin Franklin a mené des recherches approfondies sur l’électricité au 18ème siècle, comme documenté par Joseph Priestley (1767) History and Present Status of Electricity , avec qui Franklin a entretenu une longue correspondance.

L’électricité ne restera guère plus qu’une curiosité intellectuelle pendant des millénaires jusqu’en 1600, lorsque le scientifique anglais William Gilbert écrit De Magnete , dans lequel il étudie attentivement l’électricité et le magnétisme, distinguant l’ effet magnétite de l’électricité statique produite par le frottement de l’ambre. ^[5] Il a inventé le nouveau mot latin electricus (“d’ambre” ou “comme l’ambre”, de ἤλεκτρον, elektron , le mot grec pour “ambre”) pour désigner la propriété d’attirer de petits objets après avoir été frottés. ^[dix]Cette association a donné naissance aux mots anglais “electric” et “electricity”, qui ont fait leur première apparition sous forme imprimée dans Pseudodoxia Epidemica de Thomas Browne de 1646. ^[11]

D’autres travaux ont été menés au XVIIe et au début du XVIIIe siècle par Otto von Guericke , Robert Boyle , Stephen Gray et CF du Fay . ^[12] Plus tard au XVIIIe siècle, Benjamin Franklin a mené des recherches approfondies sur l’électricité, vendant ses biens pour financer son travail. En juin 1752, il est réputé avoir attaché une clé en métal au bas d’une corde de cerf-volant humidifiée et fait voler le cerf-volant dans un ciel menacé par la tempête. ^[13] Une succession d’étincelles sautant de la clé au dos de sa main a montré que la foudre était en effet de nature électrique. ^[14] Il a également expliqué le comportement apparemment paradoxal ^[15]de la bouteille de Leyde en tant que dispositif pour stocker de grandes quantités de charge électrique en termes d’électricité composée à la fois de charges positives et négatives. ^[12]

Les découvertes de Michael Faraday ont jeté les bases de la technologie des moteurs électriques

En 1791, Luigi Galvani publie sa découverte du bioélectromagnétisme , démontrant que l’électricité est le moyen par lequel les neurones transmettent des signaux aux muscles. ^{[16] [17] [12]} La batterie d’ Alessandro Volta , ou pile voltaïque , de 1800, faite de couches alternées de zinc et de cuivre, a fourni aux scientifiques une source d’énergie électrique plus fiable que les machines électrostatiques précédemment utilisées. ^{[16] [17]} La reconnaissance de l’électromagnétisme , l’unité des phénomènes électriques et magnétiques, est due à Hans Christian Ørsted et André-Marie Ampèreen 1819-1820. Michael Faraday inventa le moteur électrique en 1821, et Georg Ohm analysa mathématiquement le Circuit électrique en 1827. ^[17] L’électricité et le magnétisme (et la lumière) furent définitivement liés par James Clerk Maxwell , notamment dans son « On Physical Lines of Force » en 1861 et 1862. ^[18]

Alors que le début du 19e siècle avait vu des progrès rapides en science électrique, la fin du 19e siècle verrait les plus grands progrès en génie électrique . Grâce à des personnes telles que Alexander Graham Bell , Ottó Bláthy , Thomas Edison , Galileo Ferraris , Oliver Heaviside , Ányos Jedlik , William Thomson, 1er baron Kelvin , Charles Algernon Parsons , Werner von Siemens , Joseph Swan , Reginald Fessenden , Nikola Tesla et George Westinghouse, l’électricité est passée d’une curiosité scientifique à un outil essentiel de la vie moderne.

En 1887, Heinrich Hertz ^{[19] : 843–44 [20]} découvre que les électrodes éclairées par la lumière ultraviolette créent plus facilement des étincelles électriques . En 1905, Albert Einstein a publié un article qui expliquait les données expérimentales de l’ effet photoélectrique comme étant le résultat de l’énergie lumineuse transportée dans des paquets quantifiés discrets, énergisant les électrons. Cette découverte a conduit à la révolution quantique . Einstein a reçu le prix Nobel de physique en 1921 pour “sa découverte de la loi de l’effet photoélectrique”. ^[21] L’effet photoélectrique est également utilisé dans les cellules photoélectriquescomme on peut en trouver dans les panneaux solaires et cela est fréquemment utilisé pour produire de l’électricité commercialement.

Le premier appareil à semi-conducteurs était le ” Détecteur de moustaches de chat ” utilisé pour la première fois dans les années 1900 dans les récepteurs radio. Un fil en forme de moustache est placé légèrement en contact avec un cristal solide (tel qu’un cristal de germanium ) pour détecter un signal radio par l’effet de jonction de contact. ^[22] Dans un composant à l’état solide, le courant est confiné aux éléments solides et aux composés conçus spécifiquement pour le commuter et l’amplifier. Le flux de courant peut être compris sous deux formes : comme des électrons chargés négativement et comme des électrons chargés positivement appelés trous .. Ces charges et ces trous sont compris en termes de physique quantique. Le matériau de construction est le plus souvent un semi- conducteur cristallin . ^{[23] [24]}

L’électronique à semi-conducteurs a pris son envol avec l’émergence de la technologie des transistors . Le premier transistor fonctionnel, un transistor à contact ponctuel à base de germanium , a été inventé par John Bardeen et Walter Houser Brattain aux Bell Labs en 1947, ^[25] suivi du transistor à jonction bipolaire en 1948. ^[26] Ces premiers transistors étaient relativement encombrants . appareils difficiles à fabriquer en série . ^{[27] : 168} Ils ont été suivis par le MOSFET à base de silicium(transistor à effet de champ métal-oxyde-semi-conducteur, ou transistor MOS), inventé par Mohamed M. Atalla et Dawon Kahng aux Bell Labs en 1959. ^{[28] [29] [30]} C’était le premier transistor vraiment compact qui pouvait être miniaturisé et produit en série pour un large éventail d’utilisations, ^{[27] : 165, 179} conduisant à la Révolution du silicium . ^[31] Les dispositifs à semi-conducteurs ont commencé à se généraliser à partir des années 1960, avec la transition des tubes à vide aux diodes semi- conductrices , aux transistors, aux puces de circuits intégrés (CI), aux MOSFET et à la technologie des diodes électroluminescentes (DEL).

Le dispositif électronique le plus courant est le MOSFET, ^{[29] [32]} qui est devenu le dispositif le plus largement fabriqué de l’histoire. ^[33] Les dispositifs MOS à semi-conducteurs courants comprennent les puces à microprocesseur ^[34] et la mémoire à semi -conducteur . ^{[35] [36]} Un type spécial de mémoire à semi-conducteur est la mémoire flash , qui est utilisée dans les clés USB et les Appareils mobiles , ainsi que la technologie des disques à semi-conducteurs (SSD) pour remplacer le disque dur à disque Magnétique à rotation mécanique (HDD) La technologie.

Notions

Charge électrique

La charge sur un électroscope à feuille d’or fait que les feuilles se repoussent visiblement

La présence d’une charge donne lieu à une force électrostatique : les charges exercent une force les unes sur les autres, un effet connu mais non compris dans l’Antiquité. ^{[19] : 457} Une balle légère suspendue à une ficelle peut être chargée en la touchant avec une tige de verre qui a elle-même été chargée en frottant avec un chiffon. Si une boule semblable est chargée par la même tige de verre, on constate qu’elle repousse la première : la charge agit pour forcer les deux boules à s’écarter. Deux balles chargées d’une tige d’ambre frottée se repoussent également. Cependant, si une boule est chargée par la tige de verre et l’autre par une tige d’ambre, les deux boules s’attirent. Ces phénomènes ont été étudiés à la fin du XVIIIe siècle par Charles-Augustin de Coulomb, qui en déduit que la charge se manifeste sous deux formes opposées. Cette découverte a conduit à l’axiome bien connu : les objets de même charge se repoussent et les objets de charge opposée s’attirent . ^[19]

La force agit sur les particules chargées elles-mêmes, la charge a donc tendance à se répartir aussi uniformément que possible sur une surface conductrice. L’amplitude de la Force électromagnétique, qu’elle soit attractive ou répulsive, est donnée par la loi de Coulomb , qui relie la force au produit des charges et a une relation inverse carrée avec la distance qui les sépare. ^{[37] [38] : 35} La Force électromagnétique est très forte, deuxième seulement en force après l’ interaction forte , ^[39] mais contrairement à cette force, elle opère sur toutes les distances. ^[40] En comparaison avec la Force gravitationnelle beaucoup plus faible, la Force électromagnétique qui éloigne deux électrons est 10 ⁴² fois celle de l’ attraction gravitationnelle qui les rapproche. ^[41]

La charge provient de certains types de particules subatomiques , dont les porteurs les plus connus sont l’ électron et le proton . La charge électrique engendre et interagit avec la Force électromagnétique , l’une des quatre forces fondamentales de la nature. L’expérience a montré que la charge est une quantité conservée , c’est-à-dire que la charge nette dans un système électriquement isolé restera toujours constante, quels que soient les changements qui se produisent dans ce système. ^[42] Dans le système, la charge peut être transférée entre les corps, soit par contact direct, soit en passant le long d’un matériau conducteur, tel qu’un fil. ^{[38] : 2–5}Le terme informel électricité statique fait référence à la présence nette (ou «déséquilibre») de charge sur un corps, généralement causée lorsque des matériaux différents sont frottés ensemble, transférant la charge de l’un à l’autre.

La charge des électrons et des protons est de signe opposé, donc une quantité de charge peut être exprimée comme étant négative ou positive. Par convention, la charge portée par les électrons est réputée négative, et celle par les protons positive, une coutume qui trouve son origine avec les travaux de Benjamin Franklin . ^[43] Le montant de la charge est généralement désigné par le symbole Q et exprimé en coulombs ; ^[44] chaque électron porte la même charge d’environ −1,6022×10 ⁻¹⁹ coulomb . Le proton a une charge égale et opposée, donc +1,6022×10 ⁻¹⁹ coulomb. La charge est possédée non seulement par la matière , mais aussi par l’antimatière, chaque antiparticule portant une charge égale et opposée à sa particule correspondante. ^[45]

La charge peut être mesurée par un certain nombre de moyens, l’un des premiers instruments étant l’ électroscope à feuille d’or , qui, bien que toujours utilisé pour les démonstrations en classe, a été remplacé par l’ électromètre électronique . ^{[38] : 2–5}

Courant électrique

Le mouvement de la charge électrique est connu sous le nom de courant électrique , dont l’intensité est généralement mesurée en ampères . Le courant peut consister en n’importe quelles particules chargées en mouvement; ce sont le plus souvent des électrons, mais toute charge en mouvement constitue un courant. Le courant électrique peut traverser certaines choses, des conducteurs électriques , mais ne traversera pas un isolant électrique . ^[46]

Par convention historique, un courant positif est défini comme ayant le même sens de circulation que toute charge positive qu’il contient, ou comme circulant de la partie la plus positive d’un circuit vers la partie la plus négative. Le courant ainsi défini est appelé courant conventionnel . Le mouvement des électrons chargés négativement autour d’un Circuit électrique , l’une des formes de courant les plus connues, est donc réputé positif dans le sens opposé à celui des électrons. ^[47] Cependant, selon les conditions, un courant électrique peut consister en un flux de particules chargées dans les deux sens, voire dans les deux sens à la fois. La convention positif-négatif est largement utilisée pour simplifier cette situation.

Un arc électrique fournit une démonstration énergétique du courant électrique

Le processus par lequel le courant électrique traverse un matériau est appelé conduction électrique et sa nature varie en fonction de celle des particules chargées et du matériau à travers lequel elles se déplacent. Des exemples de courants électriques comprennent la conduction métallique, où les électrons traversent un conducteur tel que le métal, et l’ électrolyse , où les ions ( atomes chargés ) traversent des liquides ou des plasmas tels que des étincelles électriques. Alors que les particules elles-mêmes peuvent se déplacer assez lentement, parfois avec une vitesse de dérive moyenne de seulement quelques fractions de millimètre par seconde, ^{[38] : 17} le champ électriquequi les anime se propage à une vitesse proche de la vitesse de la lumière , permettant aux signaux électriques de passer rapidement le long des fils. ^[48]

Le courant provoque plusieurs effets observables, qui étaient historiquement le moyen de reconnaître sa présence. Que l’eau puisse être décomposée par le courant d’une pile voltaïque a été découvert par Nicholson et Carlisle en 1800, un processus maintenant connu sous le nom d’ électrolyse . Leur travail a été considérablement développé par Michael Faraday en 1833. Le courant à travers une résistance provoque un échauffement localisé, un effet que James Prescott Joule a étudié mathématiquement en 1840. ^{[38] : 23–24} L’une des découvertes les plus importantes concernant le courant a été faite accidentellement par Hans Christian Ørsteden 1820, alors qu’il préparait une conférence, il fut témoin du courant dans un fil perturbant l’aiguille d’un compas Magnétique. ^[49] Il avait découvert l’électromagnétisme , une interaction fondamentale entre l’électricité et le magnétisme. Le niveau d’émissions électromagnétiques générées par les arcs électriques est suffisamment élevé pour produire des interférences électromagnétiques , qui peuvent être préjudiciables au fonctionnement des équipements adjacents. ^[50]

Dans les applications d’ingénierie ou domestiques, le courant est souvent décrit comme étant soit du courant continu (CC) soit du courant alternatif (CA). Ces termes font référence à la façon dont le courant varie dans le temps. Le courant continu, tel que produit par exemple à partir d’une batterie et requis par la plupart des appareils électroniques , est un flux unidirectionnel de la partie positive d’un circuit vers la partie négative. ^{[51] : 11} Si, comme c’est le plus courant, ce flux est transporté par des électrons, ils se déplaceront dans la direction opposée. Le courant alternatif est tout courant qui inverse la direction à plusieurs reprises; cela prend presque toujours la forme d’une onde sinusoïdale . ^{[51] : 206–07}Le courant alternatif oscille ainsi d’avant en arrière dans un conducteur sans que la charge ne se déplace sur une distance nette dans le temps. La valeur moyennée dans le temps d’un courant alternatif est nulle, mais il fournit de l’énergie dans un premier sens, puis dans l’autre sens. Le courant alternatif est affecté par des propriétés électriques qui ne sont pas observées sous un courant continu en régime permanent , telles que l’ inductance et la capacité . ^{[51] : 223–25} Ces propriétés peuvent cependant devenir importantes lorsque les circuits sont soumis à des transitoires , comme lors de la première mise sous tension.

Champ électrique

Le concept de champ électrique a été introduit par Michael Faraday . Un champ électrique est créé par un corps chargé dans l’espace qui l’entoure et se traduit par une force exercée sur toutes les autres charges placées dans le champ. Le champ électrique agit entre deux charges de la même manière que le champ gravitationnel agit entre deux masses , et comme lui, s’étend vers l’infini et montre une relation carrée inverse avec la distance. ^[40]Cependant, il y a une différence importante. La gravité agit toujours en attraction, rapprochant deux masses, tandis que le champ électrique peut entraîner soit une attraction, soit une répulsion. Étant donné que les grands corps tels que les planètes ne portent généralement aucune charge nette, le champ électrique à distance est généralement nul. Ainsi, la gravité est la force dominante à distance dans l’univers, bien qu’elle soit beaucoup plus faible. ^[41]

Lignes de champ émanant d’une charge positive au-dessus d’un conducteur plan

Un champ électrique varie généralement dans l’espace ^[52] et sa force en un point quelconque est définie comme la force (par unité de charge) qui serait ressentie par une charge stationnaire négligeable si elle était placée en ce point. ^{[19] : 469–70} La charge conceptuelle, appelée ‘ charge d’essai ‘, doit être extrêmement petite pour empêcher son propre champ électrique de perturber le champ principal et doit également être stationnaire pour empêcher l’effet des champs magnétiques . Comme le champ électrique est défini en termes de force , et que la force est un vecteur , ayant à la fois une amplitude et une direction , il s’ensuit qu’un champ électrique est un champ vectoriel .^{[19] : 469–70}

L’étude des champs électriques créés par les charges stationnaires s’appelle l’électrostatique . Le champ peut être visualisé par un ensemble de lignes imaginaires dont la direction en tout point est la même que celle du champ. Ce concept a été introduit par Faraday, ^[53] dont le terme ‘ lignes de force ‘ voit encore parfois usage. Les lignes de champ sont les chemins qu’une charge positive ponctuelle chercherait à faire alors qu’elle était forcée de se déplacer dans le champ; ils sont cependant un concept imaginaire sans existence physique, et le champ imprègne tout l’espace intermédiaire entre les lignes. ^[53]Les lignes de champ émanant de charges stationnaires ont plusieurs propriétés clés : premièrement, elles commencent à des charges positives et se terminent à des charges négatives ; deuxièmement, qu’ils doivent entrer dans tout bon conducteur à angle droit, et troisièmement, qu’ils ne peuvent jamais se croiser ni se refermer sur eux-mêmes. ^{[19] : 479}

Un corps conducteur creux porte toute sa charge sur sa surface externe. Le champ est donc nul à tous les endroits à l’intérieur du corps. ^{[38] : 88} C’est le principe de fonctionnement de la cage de Faraday , une enveloppe métallique conductrice qui isole son intérieur des effets électriques extérieurs.

Les principes de l’électrostatique sont importants lors de la conception d’ équipements haute tension . Il y a une limite finie à l’intensité du champ électrique qui peut être supportée par n’importe quel milieu. Au-delà de ce point, un claquage électrique se produit et un arc électrique provoque un contournement entre les parties chargées. L’air, par exemple, a tendance à former un arc à travers de petits espaces à des intensités de champ électrique supérieures à 30 kV par centimètre. Sur des écarts plus importants, sa résistance au claquage est plus faible, peut-être 1 kV par centimètre. ^[54] L’occurrence naturelle la plus visible de ceci est la foudre, causée lorsque la charge est séparée dans les nuages par des colonnes d’air montantes, et élève le champ électrique dans l’air au-delà de ce qu’il peut supporter. La tension d’un grand nuage de foudre peut atteindre 100 MV et avoir des énergies de décharge aussi élevées que 250 kWh. ^[55]

L’intensité du champ est grandement affectée par les objets conducteurs à proximité, et elle est particulièrement intense lorsqu’elle est forcée de se courber autour d’objets pointus. Ce principe est exploité dans le paratonnerre , dont la pointe aiguë agit pour favoriser le développement du coup de foudre à cet endroit, plutôt qu’au bâtiment qu’il sert à protéger ^{[56] : 155}

Potentiel électrique

Une paire de piles AA . Le signe + indique la polarité de la différence de potentiel entre les bornes de la batterie.

La notion de potentiel électrique est étroitement liée à celle de champ électrique. Une petite charge placée dans un champ électrique subit une force, et avoir amené cette charge à ce point contre la force nécessite du travail . Le potentiel électrique en tout point est défini comme l’énergie nécessaire pour amener lentement une charge de test unitaire d’une distance infinie à ce point. Il est généralement mesuré en volts , et un volt est le potentiel pour lequel un joule de travail doit être dépensé pour amener une charge d’un coulomb depuis l’infini. ^{[19] : 494–98} Cette définition du potentiel, bien que formelle, a peu d’application pratique, et un concept plus utile est celui dedifférence de potentiel électrique , et est l’énergie nécessaire pour déplacer une charge unitaire entre deux points spécifiés. Un champ électrique a la propriété spéciale d’être conservateur , ce qui signifie que le chemin emprunté par la charge de test n’est pas pertinent : tous les chemins entre deux points spécifiés dépensent la même énergie, et donc une valeur unique pour la différence de potentiel peut être indiquée. ^{[19] : 494–98} Le volt est si fortement identifié comme l’unité de choix pour la mesure et la description de la différence de potentiel électrique que le terme tension voit une plus grande utilisation quotidienne.

Pour des raisons pratiques, il est utile de définir un point de référence commun auquel les potentiels peuvent être exprimés et comparés. Bien que cela puisse être à l’infini, une référence beaucoup plus utile est la Terre elle-même, qui est supposée être au même potentiel partout. Ce repère prend naturellement le nom de terre ou sol . La Terre est supposée être une source infinie de quantités égales de charges positives et négatives, et est donc électriquement déchargée et non chargeable. ^[57]

Le potentiel électrique est une quantité scalaire , c’est-à-dire qu’il n’a qu’une grandeur et non une direction. Cela peut être considéré comme analogue à la hauteur : tout comme un objet libéré tombera à travers une différence de hauteur causée par un champ gravitationnel, une charge « tombera » à travers la tension causée par un champ électrique. ^[58] Comme les cartes en relief montrent des lignes de contour marquant des points d’égale hauteur, un ensemble de lignes marquant des points d’égal potentiel (appelés équipotentiels ) peut être tracé autour d’un objet chargé électrostatiquement. Les équipotentielles croisent toutes les lignes de force à angle droit. Ils doivent également être parallèles à un conducteur, sinon cela produirait une force qui déplacerait les porteurs de charge jusqu’au potentiel de la surface.

Le champ électrique a été formellement défini comme la force exercée par unité de charge, mais le concept de potentiel permet une définition plus utile et équivalente : le champ électrique est le gradient local du potentiel électrique. Habituellement exprimée en volts par mètre, la direction vectorielle du champ est la ligne de plus grande pente de potentiel et où les équipotentielles sont les plus rapprochées. ^{[38] : 60}

Électroaimants

Le moteur électrique exploite un effet important de l’électromagnétisme : un courant traversant un champ Magnétique subit une force perpendiculaire à la fois au champ et au courant

Cette relation entre les champs magnétiques et les courants est extrêmement importante, car elle a conduit à l’invention du moteur électrique par Michael Faraday en 1821. Le moteur homopolaire de Faraday consistait en un aimant permanent assis dans une piscine de mercure . Un courant était autorisé à travers un fil suspendu à un pivot au-dessus de l’aimant et plongé dans le mercure. L’aimant exerçait une force tangentielle sur le fil, le faisant tourner autour de l’aimant aussi longtemps que le courant était maintenu. ^[61]

L’expérimentation de Faraday en 1831 a révélé qu’un fil se déplaçant perpendiculairement à un champ Magnétique développait une différence de potentiel entre ses extrémités. Une analyse plus approfondie de ce processus, connu sous le nom d’induction électromagnétique , lui a permis d’énoncer le principe, maintenant connu sous le nom de loi d’induction de Faraday , selon lequel la différence de potentiel induite dans un circuit fermé est proportionnelle au taux de variation du flux Magnétique à travers la boucle. L’exploitation de cette découverte lui permet d’inventer le premier générateur électrique en 1831, dans lequel il convertit l’énergie mécanique d’un disque de cuivre en rotation en énergie électrique. ^[61] Disque de Faradayétait inefficace et inutile en tant que générateur pratique, mais il montrait la possibilité de générer de l’énergie électrique à l’aide du magnétisme, une possibilité qui serait reprise par ceux qui suivraient ses travaux.

Électrochimie

Le physicien italien Alessandro Volta montrant sa « batterie » à l’ empereur français Napoléon Bonaparte au début du XIXe siècle.

La capacité des réactions chimiques à produire de l’électricité, et inversement la capacité de l’électricité à provoquer des réactions chimiques, a un large éventail d’utilisations.

L’électrochimie a toujours été une partie importante de l’électricité. Depuis l’invention initiale de la pile voltaïque, les cellules électrochimiques ont évolué vers les nombreux types de batteries, de galvanoplastie et de cellules d’électrolyse. L’aluminium est ainsi produit en grandes quantités et de nombreux appareils portables sont alimentés électriquement à l’aide de piles rechargeables.

Circuits électriques

Un Circuit électrique de base . La source de tension V à gauche entraîne un courant I autour du circuit, délivrant de l’énergie électrique dans la résistance R . De la résistance, le courant revient à la source, complétant le circuit.

Un Circuit électrique est une interconnexion de composants électriques telle que la charge électrique est amenée à circuler le long d’un chemin fermé (un circuit), généralement pour effectuer une tâche utile.

Les composants d’un Circuit électrique peuvent prendre de nombreuses formes, notamment des éléments tels que des résistances , des condensateurs , des interrupteurs , des transformateurs et des composants électroniques . Les circuits électroniques contiennent des composants actifs , généralement des semi- conducteurs , et présentent généralement un comportement non linéaire , nécessitant une analyse complexe. Les composants électriques les plus simples sont ceux que l’on appelle passifs et linéaires : s’ils peuvent stocker temporairement de l’énergie, ils n’en contiennent aucune source et présentent des réponses linéaires aux stimuli. ^{[62] : 15–16}

La résistance est peut-être le plus simple des éléments de circuit passif : comme son nom l’indique, elle résiste au courant qui la traverse, dissipant son énergie sous forme de chaleur. La résistance est une conséquence du mouvement de charge à travers un conducteur : dans les métaux, par exemple, la résistance est principalement due aux collisions entre les électrons et les ions. La loi d’Ohm est une loi fondamentale de la théorie des circuits , selon laquelle le courant traversant une résistance est directement proportionnel à la différence de potentiel à travers celle-ci. La résistance de la plupart des matériaux est relativement constante sur une plage de températures et de courants ; les matériaux dans ces conditions sont dits « ohmiques ». L’ ohm , l’unité de résistance, a été nommé en l’honneur deGeorg Ohm , et est symbolisé par la lettre grecque Ω. 1 Ω est la résistance qui produira une différence de potentiel d’un volt en réponse à un courant d’un ampère. ^{[62] : 30–35}

Le condensateur est un développement du pot de Leyde et est un dispositif qui peut stocker une charge, et ainsi stocker de l’énergie électrique dans le champ résultant. Il est constitué de deux plaques conductrices séparées par une fine couche diélectrique isolante ; en pratique, de fines feuilles métalliques sont enroulées ensemble, augmentant la surface par unité de volume et donc la capacité . L’unité de capacité est le farad , nommé d’après Michael Faraday , et étant donné le symbole F: un farad est la capacité qui développe une différence de potentiel d’un volt lorsqu’elle emmagasine une charge d’un coulomb. Un condensateur connecté à une alimentation en tension provoque initialement un courant lorsqu’il accumule une charge; ce courant décroîtra cependant avec le temps au fur et à mesure que le condensateur se remplit, tombant finalement à zéro. Un condensateur ne permettra donc pas un courant en régime permanent , mais le bloquera à la place. ^{[62] : 216–20}

L’ inducteur est un conducteur, généralement une bobine de fil, qui stocke l’énergie dans un champ Magnétique en réponse au courant qui le traverse. Lorsque le courant change, le champ Magnétique change aussi, induisant une tension entre les extrémités du conducteur. La tension induite est proportionnelle à la vitesse de variation du courant. La constante de proportionnalité est appelée l’ inductance . L’unité d’inductance est le henry , du nom de Joseph Henry, un contemporain de Faraday. Un henry est l’inductance qui induira une différence de potentiel d’un volt si le courant qui la traverse change à un rythme d’un ampère par seconde. Le comportement de l’inductance est à certains égards inverse à celui du condensateur: il autorisera librement un courant constant, mais s’opposera à un courant changeant rapidement. ^{[62] : 226–29}

Pouvoir électrique

La puissance électrique est la vitesse à laquelle l’énergie électrique est transférée par un Circuit électrique . L’ unité SI de puissance est le watt , un joule par seconde .

L’énergie électrique, comme l’énergie mécanique , est le taux d’exécution d’un travail , mesuré en watts , et représenté par la lettre P. Le terme puissance est utilisé familièrement pour signifier “puissance électrique en watts”. La puissance électrique en watts produite par un courant électrique I consistant en une charge de Q coulombs toutes les t secondes traversant une différence de potentiel électrique ( tension ) de V est

P = travail effectué par unité de temps = Q V t = je V {displaystyle P={text{travail effectué par unité de temps}}={frac {QV}{t}}=IV,}

où

Q est la charge électrique en coulombs t est le temps en secondes I est le courant électrique en ampères V est le potentiel électrique ou la tension en volts

La production d’électricité se fait souvent par un processus de conversion de l’énergie mécanique en électricité. Des dispositifs tels que les turbines à vapeur ou les turbines à gaz participent à la production de l’énergie mécanique, qui est transmise aux générateurs électriques qui produisent l’électricité. L’électricité peut également être fournie par des sources chimiques telles que des batteries électriques ou par d’autres moyens à partir d’une grande variété de sources d’énergie. L’énergie électrique est généralement fournie aux entreprises et aux foyers par l’ industrie de l’ énergie électrique . L’électricité est généralement vendue au kilowattheure(3,6 MJ) qui est le produit de la puissance en kilowatts multipliée par le temps de fonctionnement en heures. Les services publics d’électricité mesurent la puissance à l’aide de compteurs d’électricité , qui conservent un total cumulé de l’énergie électrique fournie à un client. Contrairement aux combustibles fossiles, l’électricité est une forme d’énergie à faible entropie et peut être convertie en mouvement ou en de nombreuses autres formes d’énergie avec un rendement élevé. ^[63]

Électronique

Composants électroniques montés en surface

L’électronique traite des circuits électriques qui impliquent des composants électriques actifs tels que les tubes à vide , les transistors , les diodes , l’ optoélectronique , les capteurs et les circuits intégrés , ainsi que les technologies d’interconnexion passives associées. Le comportement non linéaire des composants actifs et leur capacité à contrôler les flux d’électrons rendent possible l’amplification des signaux faibles et l’électronique est largement utilisée dans le traitement de l’information , les télécommunications et le traitement du signal . La capacité des appareils électroniques à agir comme des interrupteursrend possible le traitement numérique de l’information. Les technologies d’interconnexion telles que les cartes de circuits imprimés , la technologie de conditionnement électronique et d’autres formes variées d’infrastructure de communication complètent la fonctionnalité du circuit et transforment les composants mixtes en un système de travail régulier .

Aujourd’hui, la plupart des appareils électroniques utilisent des composants semi-conducteurs pour effectuer le contrôle des électrons. L’étude des dispositifs semi-conducteurs et de la technologie associée est considérée comme une branche de la physique du solide , tandis que la conception et la construction de circuits électroniques pour résoudre des problèmes pratiques relèvent de l’ingénierie électronique .

Onde électromagnétique

Les travaux de Faraday et Ampère ont montré qu’un champ Magnétique variable dans le temps agissait comme une source de champ électrique, et qu’un champ électrique variable dans le temps était une source de champ Magnétique. Ainsi, lorsque l’un ou l’autre champ change dans le temps, alors un champ de l’autre est nécessairement induit. ^{[19] : 696–700} Un tel phénomène a les propriétés d’une onde , et est naturellement appelé onde électromagnétique . Les ondes électromagnétiques ont été analysées théoriquement par James Clerk Maxwell en 1864. Maxwell a développé un ensemble d’équations qui pourraient décrire sans ambiguïté l’interrelation entre le champ électrique, le champ Magnétique, la charge électrique et le courant électrique. Il pourrait d’ailleurs prouver qu’une telle onde se déplacerait nécessairement auvitesse de la lumière , et donc la lumière elle-même était une forme de rayonnement électromagnétique. Les lois de Maxwell , qui unifient la lumière, les champs et la charge, sont l’un des grands jalons de la physique théorique. ^{[19] : 696–700}

Ainsi, les travaux de nombreux chercheurs ont permis l’utilisation de l’électronique pour convertir des signaux en courants oscillants à haute fréquence , et via des conducteurs de forme appropriée, l’électricité permet la transmission et la réception de ces signaux par ondes radio sur de très longues distances.

Fabrication et utilisations

Génération et transmission

Alternateur du début du XXe siècle fabriqué à Budapest , en Hongrie , dans le hall de production d’électricité d’une centrale hydroélectrique (photographie de Prokudin-Gorsky , 1905-1915).

Au 6ème siècle avant JC, le philosophe grec Thales de Milet a expérimenté des tiges d’ambre et ces expériences ont été les premières études sur la production d’énergie électrique. Bien que cette méthode, maintenant connue sous le nom d’ effet triboélectrique , puisse soulever des objets légers et générer des étincelles, elle est extrêmement inefficace. ^[64] Ce n’est qu’avec l’invention de la pile voltaïque au XVIIIe siècle qu’une source viable d’électricité est devenue disponible. La pile voltaïque, et sa descendante moderne, la pile électrique , stockent chimiquement l’énergie et la rendent disponible à la demande sous forme d’énergie électrique. ^[64]La batterie est une source d’alimentation polyvalente et très courante qui convient parfaitement à de nombreuses applications, mais son stockage d’énergie est limité et, une fois déchargée, elle doit être éliminée ou rechargée. Pour les grandes demandes électriques, l’énergie électrique doit être générée et transmise en continu sur des lignes de transmission conductrices.

L’énergie électrique est généralement générée par des générateurs électromécaniques entraînés par la vapeur produite à partir de la combustion de combustibles fossiles ou par la chaleur dégagée par les réactions nucléaires ; ou d’autres sources telles que l’énergie cinétique extraite du vent ou de l’eau courante. La turbine à vapeur moderne inventée par Sir Charles Parsons en 1884 génère aujourd’hui environ 80 % de l’ énergie électrique mondiale en utilisant diverses sources de chaleur. De tels générateurs ne ressemblent en rien au générateur à disque homopolaire de Faraday de 1831, mais ils reposent toujours sur son principe électromagnétique selon lequel un conducteur reliant un champ Magnétique changeant induit une différence de potentiel entre ses extrémités.^[65] L’invention à la fin du XIXe siècle du transformateur signifiait que l’énergie électrique pouvait être transmise plus efficacement à une tension plus élevée mais à un courant plus faible. Une transmission électrique efficacesignifiait à son tour que l’électricité pouvait être produite dans des centrales électriques centralisées , où elle bénéficiait d’ économies d’échelle , puis être acheminée sur des distances relativement longues jusqu’à l’endroit où elle était nécessaire. ^{[66] [67]}

L’énergie éolienne prend de plus en plus d’importance dans de nombreux pays

Étant donné que l’énergie électrique ne peut pas facilement être stockée en quantités suffisantes pour répondre à la demande à l’échelle nationale, il faut à tout moment produire exactement la quantité nécessaire. ^[66] Cela oblige les services publics d’ électricité à faire des prévisions minutieuses de leurs charges électriques et à maintenir une coordination constante avec leurs centrales électriques. Une certaine quantité de production doit toujours être gardée en réserve pour amortir un réseau électrique contre les perturbations et les pertes inévitables.

La demande d’électricité croît très rapidement à mesure qu’une nation se modernise et que son économie se développe. ^[68] Les États-Unis ont enregistré une augmentation de la demande de 12 % au cours de chaque année des trois premières décennies du XXe siècle, ^[69] un taux de croissance que connaissent désormais les économies émergentes telles que celles de l’Inde ou de la Chine. ^{[70] [71]} Historiquement, le taux de croissance de la demande d’électricité a dépassé celui des autres formes d’énergie. ^{[72] : 16}

Les préoccupations environnementales liées à la production d’électricité ont conduit à privilégier la production à partir de sources renouvelables , en particulier éolienne et solaire . Alors que l’on peut s’attendre à ce que le débat se poursuive sur l’impact environnemental des différents moyens de production d’électricité, sa forme finale est relativement propre. ^{[72] : 89}

Applications

L’ ampoule , une des premières applications de l’électricité, fonctionne par chauffage Joule : le passage du courant à travers une résistance générant de la chaleur

L’électricité est un moyen très pratique de transférer de l’énergie, et elle a été adaptée à un nombre énorme et croissant d’utilisations. ^[73] L’invention d’une ampoule à incandescence pratique dans les années 1870 a conduit l’ éclairage à devenir l’une des premières applications de l’énergie électrique accessibles au public. Bien que l’électrification ait ses propres dangers, le remplacement des flammes nues de l’éclairage au gaz a considérablement réduit les risques d’incendie dans les maisons et les usines. ^[74] Des services publics ont été mis en place dans de nombreuses villes ciblant le marché en plein essor de l’éclairage électrique. À la fin du XXe siècle et à l’époque moderne, la tendance a commencé à aller dans le sens de la déréglementation du secteur de l’énergie électrique. ^[75]

L’effet de chauffage Joule résistif utilisé dans les ampoules à incandescence trouve également une utilisation plus directe dans le chauffage électrique . Bien que cela soit polyvalent et contrôlable, cela peut être considéré comme un gaspillage, car la plupart de la production d’électricité a déjà nécessité la production de chaleur dans une centrale électrique. ^[76] Un certain nombre de pays, comme le Danemark, ont promulgué des lois restreignant ou interdisant l’utilisation du chauffage électrique résistif dans les nouveaux bâtiments. ^[77] L’électricité reste cependant une source d’énergie très pratique pour le chauffage et la réfrigération , ^[78] avec la climatisation / les pompes à chaleurreprésentant un secteur croissant de la demande d’électricité pour le chauffage et le refroidissement, dont les services publics d’électricité sont de plus en plus obligés de faire face. ^[79]

L’électricité est utilisée dans les télécommunications , et en effet le télégraphe électrique , démontré commercialement en 1837 par Cooke et Wheatstone , fut l’une de ses premières applications. Avec la construction des premiers systèmes télégraphiques transcontinentaux , puis transatlantiques , dans les années 1860, l’électricité avait permis des communications en quelques minutes à travers le monde. La fibre optique et les communications par satellite ont pris une part du marché des systèmes de communication, mais on peut s’attendre à ce que l’électricité reste une partie essentielle du processus.

Les effets de l’électromagnétisme sont le plus visiblement utilisés dans le moteur électrique , qui fournit une force motrice propre et efficace. Un moteur stationnaire tel qu’un treuil est facilement alimenté en énergie, mais un moteur qui se déplace avec son application, tel qu’un véhicule électrique , est obligé soit d’emporter une source d’énergie telle qu’une batterie, soit de prélever du courant un contact glissant tel qu’un pantographe . Les véhicules électriques sont utilisés dans les transports publics, tels que les bus et les trains électriques, ^[80] et un nombre croissant de voitures électriques à batterie appartenant à des particuliers.

Les appareils électroniques utilisent le transistor , peut-être l’une des inventions les plus importantes du XXe siècle, ^[81] et un élément fondamental de tous les circuits modernes. Un circuit intégré moderne peut contenir plusieurs milliards de transistors miniaturisés dans une région de seulement quelques centimètres carrés. ^[82]

L’électricité et le monde naturel

Effets physiologiques

Une tension appliquée à un corps humain provoque un courant électrique à travers les tissus, et bien que la relation soit non linéaire, plus la tension est élevée, plus le courant est important. ^[83] Le seuil de perception varie avec la fréquence d’alimentation et avec le chemin du courant, mais est d’environ 0,1 mA à 1 mA pour l’électricité à fréquence secteur, bien qu’un courant aussi faible qu’un microampère puisse être détecté comme un effet d’ électrovibration sous certaines conditions. ^[84] Si le courant est suffisamment élevé, il provoquera une contraction musculaire, une fibrillation du cœur et des brûlures des tissus . ^[83]L’absence de tout signe visible qu’un conducteur est électrifié fait de l’électricité un danger particulier. La douleur causée par un Choc électrique peut être intense, conduisant parfois à l’utilisation de l’électricité comme méthode de torture . La mort causée par un Choc électrique est appelée électrocution . L’électrocution est toujours le moyen d’ exécution judiciaire dans certaines juridictions, bien que son utilisation soit devenue plus rare ces derniers temps. ^[85]

Phénomènes électriques dans la nature

L’anguille électrique, Electrophorus electricus

L’électricité n’est pas une invention humaine et peut être observée sous plusieurs formes dans la nature, dont une manifestation importante est la foudre . De nombreuses interactions familières au niveau macroscopique, telles que le toucher , le frottement ou la liaison chimique , sont dues à des interactions entre champs électriques à l’échelle atomique. On pense que le champ Magnétique terrestre provient d’une dynamo naturelle de courants circulant dans le noyau de la planète. ^[86] Certains cristaux, comme le quartz , ou même le sucre , génèrent une différence de potentiel sur leurs faces lorsqu’ils sont soumis à une pression extérieure. ^[87]Ce phénomène est connu sous le nom de piézoélectricité , du grec piezein (πιέζειν), signifiant presser, et a été découvert en 1880 par Pierre et Jacques Curie . L’effet est réciproque et lorsqu’un matériau piézoélectrique est soumis à un champ électrique, un petit changement de dimensions physiques se produit. ^[87]

§La bioélectrogenèse dans la vie microbienne est un phénomène important dans l’écologie des sols et des sédiments résultant de la respiration anaérobie . La pile à combustible microbienne imite ce phénomène naturel omniprésent.

Certains organismes, tels que les requins , sont capables de détecter et de répondre aux changements des champs électriques, une capacité connue sous le nom d’ électroréception , ^[88] tandis que d’autres, appelés électrogènes , sont capables de générer eux-mêmes des tensions pour servir d’arme prédatrice ou défensive. ^[3] L’ordre des Gymnotiformes , dont l’exemple le plus connu est l’ anguille électrique , détecte ou étourdit ses proies via des hautes tensions générées à partir de cellules musculaires modifiées appelées électrocytes . ^{[3] [4]} Tous les animaux transmettent des informations le long de leurs membranes cellulaires avec des impulsions de tension appelées potentiels d’action, dont les fonctions incluent la communication par le système nerveux entre les neurones et les muscles . ^[89] Un Choc électrique stimule ce système et provoque la contraction des muscles. ^[90] Les potentiels d’action sont également responsables de la coordination des activités dans certaines usines. ^[89]

Perception culturelle

En 1850, William Gladstone a demandé au scientifique Michael Faraday pourquoi l’électricité était précieuse. Faraday a répondu: “Un jour monsieur, vous pouvez l’imposer.” ^[91]

Au 19e et au début du 20e siècle, l’électricité ne faisait pas partie de la vie quotidienne de nombreuses personnes, même dans le monde occidental industrialisé . La culture populaire de l’époque la décrivait donc souvent comme une force mystérieuse, quasi magique, capable de tuer les vivants, de faire revivre les morts ou de contourner les lois de la nature. ^[92] Cette attitude a commencé avec les expériences de 1771 de Luigi Galvani dans lesquelles il a été démontré que les pattes de grenouilles mortes se contractaient lors de l’application d’ électricité animale . La «revitalisation» ou la réanimation de personnes apparemment mortes ou noyées a été rapportée dans la littérature médicale peu de temps après les travaux de Galvani. Ces résultats étaient connus de Mary Shelley lorsqu’elle a écritFrankenstein (1819), bien qu’elle ne nomme pas la méthode de revitalisation du monstre. La revitalisation des monstres avec l’électricité est devenue plus tard un thème récurrent dans les films d’horreur.

Au fur et à mesure que le public se familiarisait avec l’électricité en tant qu’élément vital de la deuxième révolution industrielle , ses détenteurs étaient plus souvent présentés sous un jour positif, ^[93] comme les travailleurs qui “mettent le doigt sur la mort au bout de leurs gants alors qu’ils reconstituent et reconstituent le vivant”. fils” dans le poème Sons of Martha de Rudyard Kipling en 1907 . ^[93] Les véhicules électriques de toutes sortes figuraient en bonne place dans les récits d’aventures tels que ceux de Jules Verne et les livres de Tom Swift . ^[93] Les maîtres de l’électricité, qu’ils soient fictifs ou réels, y compris des scientifiques tels que Thomas Edison , Charles Steinmetz ouNikola Tesla – étaient généralement considérés comme ayant des pouvoirs de sorcier. ^[93]

L’électricité ayant cessé d’être une nouveauté et devenant une nécessité de la vie quotidienne dans la seconde moitié du XXe siècle, elle n’a nécessité une attention particulière de la part de la culture populaire que lorsqu’elle cesse de circuler, ^[93] un événement qui signale généralement un désastre. ^[93] Les gens qui le font couler, comme le héros sans nom de la chanson de Jimmy Webb ” Wichita Lineman ” (1968), ^[93] sont encore souvent présentés comme des personnages héroïques, ressemblant à des sorciers. ^[93]

Voir également

Portail de l’énergie
Portail électronique

La loi de circuit d’Ampère , relie le sens d’un courant électrique et ses courants magnétiques associés.
Énergie potentielle électrique , l’énergie potentielle d’un système de charges
Marché de l’électricité , vente d’énergie électrique
Étymologie d’ électricité , origine du mot électricité et ses différents usages actuels
Analogie hydraulique , une analogie entre l’écoulement de l’eau et le courant électrique

Remarques

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Chapitre sur les concepts de base de l’électricité du livre et de la série Lessons In Electric Circuits Vol 1 DC .
“Cent ans d’électricité”, mai 1931, Popular Mechanics
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