Courant électrique

Reprenons l’exemple de séparation de charges du chapitre Charge. Si l’on ouvre entre les deux corps aux charges séparées un chemin praticable pour les électrons, un échange de charges a lieu en raison de la tension (et donc de la force exercée sur l’électron).

L’électron revient du corps de gauche vers le corps de droite, de même que la pierre tombe sur le sol. Le mouvement des électrons est appelé courant électrique i. Plus il y a d’électrons qui se déplacent par unité de temps, plus le courant est grand. La relation mathématique entre le courant i et le mouvement des charges est :

Le courant électrique i s’exprime dans l’unité SI ampère (A).

Une remarque sur la notation : ci-dessus, j’ai utilisé la minuscule i pour le courant. Nous utilisons toujours des minuscules pour les grandeurs variables dans le temps. Les majuscules indiquent que la grandeur est constante dans le temps. Un courant constant reçoit donc le symbole I. Il en va de même pour les tensions, les charges, les puissances, etc.

Le courant produit un effet dans un récepteur électrique. S’il traverse une LED, par exemple, il la fait s’allumer. S’il traverse un moteur, il le fait tourner. Pour produire un effet, nous devons faire passer le courant de manière ciblée à travers un récepteur. Pour cela, on offre aux électrons un chemin d’équilibrage des charges qui passe par le récepteur concerné.

La chaîne d’action en électrotechnique

Pour produire un effet en électrotechnique, il faut d’abord séparer des charges. Des potentiels différents apparaissent alors. Entre des points de potentiels différents apparaît une tension, la différence de potentiel. On offre ensuite aux charges un chemin d’équilibrage qui passe par le récepteur. Le mouvement des électrons est appelé courant. Le courant produit un effet dans le récepteur.

Fournir des charges séparées en pratique

La séparation de charges a généralement lieu dans une centrale électrique. Dans les centrales au charbon, on brûle du charbon et on produit de la vapeur, qui traverse une turbine. La turbine se met alors à tourner. Elle est reliée par un arbre à un générateur, dont le rotor tourne aussi. Dans le générateur, le mouvement de rotation est converti en grandeurs électriques, la tension et le courant. Dans ce processus, l’énergie thermique libérée par la combustion du charbon est convertie en énergie cinétique de la vapeur. Celle-ci est convertie dans la turbine en énergie cinétique de rotation. Le générateur convertit l’énergie cinétique en énergie électrique.

Dans une éolienne, le vent fait tourner les pales et donc l’arbre qui y est fixé. Sur l’arbre est monté le générateur, qui produit la tension et le courant. La tension et le courant arrivent par des câbles de la centrale jusqu’aux prises, où ils sont à notre disposition. L’énergie cinétique du vent est convertie en énergie électrique dans le générateur.

D’autres types de centrales, comme les centrales hydrauliques ou à biomasse, utilisent d’autres mécanismes pour faire tourner l’arbre du générateur ; pour le reste, elles fonctionnent de la même manière. Lorsqu’on recharge la batterie d’un smartphone, la charge séparée disponible à la prise est – de manière très simplifiée – dirigée vers les compartiments de la batterie.

Circuit électrique simple

En général, nous ne séparons pas la charge juste avant d’en avoir besoin pour faire fonctionner des récepteurs. Nous utilisons des réservoirs de charges séparées, comme les batteries. Pour simplifier, une batterie contient deux compartiments séparés. L’un présente un défaut d’électrons (+), l’autre un excès d’électrons (−). Dans une lampe de poche, une batterie est reliée à une LED par des câbles.

Les électrons du compartiment en excès d’électrons circulent dans le sens des flèches rouges à travers les câbles et la LED vers le compartiment en défaut d’électrons. Ce mouvement d’électrons fait s’allumer la LED. Cela dure jusqu’à ce que la batterie soit vide. Un équilibrage complet des charges a alors eu lieu entre les deux compartiments. L’interrupteur de la lampe de poche interrompt le chemin des électrons entre les deux compartiments, de sorte que la LED ne s’allume qu’en cas de besoin.

Sens conventionnel du courant

En électrotechnique, il existe un problème de signe entre les sens de la tension et du courant. Une tension est positive lorsqu’elle (ou la flèche qui la représente) va du potentiel positif, en défaut d’électrons, vers le potentiel négatif, en excès d’électrons. Or les électrons, chargés négativement, circulent du potentiel négatif vers le potentiel positif. Dans les métaux, ce sont toujours les électrons chargés négativement qui se déplacent, car les protons positifs sont fixes. C’est un peu comme si une pierre tombait du sol vers le plafond. Ce sens de circulation est appelé « sens physique du courant » (sens des électrons).

Pour résoudre ce problème, on inverse par convention le signe du courant en électrotechnique. Afin que la description intuitive du mouvement des charges continue de fonctionner, on pose qu’il n’existe que des porteurs de charge positifs. Nous nous éloignons ainsi en pensée des électrons et des protons, car cette nouvelle description aide mieux pour les problèmes suivants.

Il n’y a donc plus que des charges positives et donc plus que des potentiels positifs. Cela nous rapproche aussi de l’analogie de la hauteur au-dessus du centre de la Terre, qui est elle aussi toujours positive. À un potentiel positif élevé se trouvent beaucoup de charges (positives), à un potentiel moins élevé peu de charges (positives). Mais comme nous plaçons de toute façon le zéro des potentiels là où cela nous arrange, il existe toujours des potentiels négatifs par rapport à ce zéro. La hauteur de la cave reste négative pour nous si nous la rapportons à la hauteur du plancher, même si la cave a une hauteur positive par rapport au centre de la Terre.

La tension entre les potentiels peut toujours être positive ou négative, selon le sens choisi. Rien ne change donc pour les tensions. Mais le courant de charges positives circule désormais du potentiel le plus élevé vers le potentiel le plus bas ; dans le modèle, la pierre tombe de nouveau vers le bas. Ce sens du courant est appelé sens conventionnel du courant.

Du point de vue de la physique, ce changement de modélisation du comportement des charges est bien sûr faux. Mais comme cette nouvelle modélisation apporte de nombreux avantages et surtout une simplification mathématique pour le calcul et la description des problèmes et solutions électriques, elle est utilisée dans le monde entier.

Avec le sens conventionnel du courant, l’exemple de la lampe de poche se présente ainsi :

À partir de maintenant, les changements suivants par rapport à la description physique précédente s’appliquent donc dans ce texte :

• Toutes les charges mobiles sont positives
• Tous les potentiels sont positifs
• Le courant circule du potentiel le plus élevé (+) vers le potentiel le plus bas (−)

Densité de courant

On ne peut pas faire passer n’importe quelle intensité de courant dans un conducteur. Le courant échauffe le conducteur. S’il chauffe trop, le conducteur est endommagé, voire détruit. C’est pourquoi on utilise par exemple des conducteurs très épais (de grande section) pour les lignes aériennes. Lors de la recharge d’un smartphone, le courant est bien plus faible ; un câble plus fin suffit donc. Comme, pour dimensionner un conducteur, l’intensité du courant est rapportée à la section du câble, on introduit une nouvelle grandeur utile pour ce calcul : la densité de courant. La densité de courant J divise l’intensité du courant par la surface traversée. On a :

Courant dans les câbles

Lorsqu’on réalise des circuits parcourus par un courant, les composants sont souvent reliés par des câbles. Pour simplifier, l’épaisseur nécessaire des câbles peut être lue dans des tableaux (par exemple DIN VDE 0298-4 ; 2003-08, tableau 11).

Les câbles courants se composent d’un fil de cuivre et d’une gaine isolante, qui garantit que le courant ne circule que dans le câble et ne peut pas s’écouler dans un corps que le câble toucherait. Le fil de cuivre conduit bien le courant, la gaine pas du tout.

Pour aller plus loin (en allemand)

Frustfrei Lernen : courant
Frustfrei Lernen : charge
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