Champ électrique

Pourquoi utilisons-nous l’électronique en technique ? Pourquoi un smartphone ne fonctionne-t-il pas à l’énergie hydraulique ? Après tout, c’est avec elle que les hommes ont réalisé avec succès leurs entraînements techniques pendant des millénaires. Où se trouve l’avantage de l’électronique, qui fait qu’elle s’impose pratiquement partout ?

Dans le chapitre Énergie nous avons déjà constaté que nous devons convertir l’énergie en une autre forme si nous voulons, par exemple, déplacer ou éclairer quelque chose. En mécanique classique, il existe pour cela quelques limitations peu pratiques que nous ne remarquons même plus au quotidien :

Un corps qui veut en déplacer un autre doit en général le toucher. C’est peu pratique, car la cause et l’effet d’une force doivent alors être proches dans l’espace, et il y a du frottement et de l’usure.

Autre limitation de la mécanique : la Terre attire la masse vers son centre. Imaginons que nous puissions brièvement et localement « inverser » l’attraction terrestre en une répulsion d’intensité variable. Les voyages dans l’espace seraient bien plus simples si, à Cap Canaveral, la Terre repoussait la fusée pendant 2 minutes. Imaginez que vous puissiez emballer la pesanteur terrestre et l’emporter sur l’ISS pour qu’elle y agisse. Le monde quotidien est très limité comparé aux possibilités de l’électronique.

Champs

Pour comprendre comment une charge séparée peut être utilisée techniquement, il faut d’abord décrire le phénomène de « champ » : comment un avion en vol sait-il en fait qu’il est attiré par la Terre ? Il ne touche pourtant pas la Terre. Comment la pesanteur arrive-t-elle jusqu’à l’avion ? Comment la Terre attire-t-elle par exemple la Lune sans la toucher ? Les physiciens l’expliquent par la notion de champ.

De manière très simplifiée : toute masse attire les autres masses. C’est ce que nous appelons la gravitation. La force d’attraction est si faible que nous ne la remarquons qu’avec des planètes de masse extrêmement grande. Toute masse possède un champ de gravitation dans lequel cette force d’attraction agit. Si une autre masse se trouve dans ce champ, la force du champ agit sur elle. La Terre attire donc la Lune parce que celle-ci se trouve dans son champ de gravitation.

Nous connaissons cela avec les aimants, qui exercent eux aussi des forces par l’intermédiaire de champs. Un aimant possède toujours un champ, qu’il y ait ou non quelque chose à attirer à proximité. Si l’on approche un morceau de fer de l’aimant, il est attiré. À partir d’une certaine distance, la force d’attraction dépasse les forces qui l’empêchent de bouger (par exemple le frottement sur le sol), et il se déplace vers l’aimant. Ensuite, le morceau de fer reste collé à l’aimant jusqu’à la fin des temps.

Un champ diminue toujours avec la distance à sa source. Plus nous nous éloignons de la Terre, plus l’attraction exercée par la Terre sur une masse est faible. Avec un aimant, cette dépendance à la distance se montre très facilement par une expérience.

Parenthèse : qu’en est-il de l’énergie ? L’aimant ne s’affaiblit-il pas à un moment donné ? Comment peut-il tenir aussi longtemps et, en théorie, retenir indéfiniment le morceau de fer sans qu’on lui fournisse d’énergie ? Les physiciens disent que l’énergie est définie comme force multipliée par déplacement. On a

Un champ ne produit qu’une force F. Tant que rien ne bouge, cette force peut être maintenue éternellement sans variation d’énergie. Le déplacement du fer vers l’aimant est une variation de position ds. Avec la force, elle modifie l’énergie du système. Après le déplacement, cet état (l’aimant collé au fer) est maintenu jusqu’à ce qu’une nouvelle modification soit apportée au système de l’extérieur. Sans mouvement, il n’y a pas de variation de position ds ; la force multipliée par la variation de position est donc nulle. Une force due à un champ est maintenue par une masse (champ de gravitation) ou par un aimant (champ magnétique) sans dépense d’énergie.

Un exemple : une pierre repose sur une table dans le champ de gravitation à la surface de la Terre. Son énergie potentielle change-t-elle du fait qu’elle repose sur la table ? Non, manifestement pas. Pourtant, la pierre est attirée en permanence par la Terre avec la force de gravitation. Il existe donc une force sans que l’énergie du système change. Vous remarquez la force si vous retirez la table. La pierre tombe alors. Nous avons alors une force et une variation de position : l’énergie potentielle de la pierre diminue et se convertit en énergie cinétique du mouvement. Dans un système technique, la variation de position est souvent empêchée ou permise de manière ciblée. La force, elle, est souvent présente en permanence.

Tout système tend vers l’état d’énergie minimale. Une pierre tombe parce qu’elle y possède moins d’énergie potentielle que plus haut. Le moteur ou la motivation de tout mouvement réside dans ce principe. Lorsqu’on soulève la pierre, l’énergie du système augmente. Pour cela, il faut fournir de l’énergie au système de l’extérieur. L’énergie du mouvement est la différence entre les énergies du système avant et après le mouvement.

Le champ électrique

L’une des raisons du succès de l’électronique est la possibilité de créer des champs artificiellement. Si l’on sépare des charges de polarités différentes (c’est-à-dire des charges positives et négatives), un « champ électrique » apparaît entre elles. De même que les champs de gravitation sont créés par des masses et agissent sur des masses, les champs électriques sont créés par des charges séparées et agissent sur des charges.

Comme dans le chapitre Charge nous déplaçons en pensée une charge d’un corps vers un autre. Les deux corps sont maintenant chargés différemment, l’un positivement et l’autre négativement. Une force agit sur la charge qui vient d’être déplacée et la ramène vers son « propre » corps. Cette force agit sans contact par l’intermédiaire d’un champ.

S’il n’existe entre les corps aucune liaison électriquement conductrice par laquelle la charge pourrait se déplacer, le déséquilibre persiste. Le champ et la force persistent donc aussi. La table sur laquelle repose la pierre empêche celle-ci de se déplacer vers le centre de la Terre. Sans chemin pour se déplacer, la pierre reste pour toujours sur la table, bien qu’elle soit attirée vers le bas.

Le champ de gravitation terrestre agit toujours vers le centre de la Terre. Nous illustrons la direction d’action d’un champ par des lignes de champ. Les lignes de champ indiquent la direction dans laquelle la force agit, c’est-à-dire dans laquelle un mouvement aurait lieu. Le champ électrique est toujours orienté de la charge séparée positive vers la charge négative. Ses lignes de champ indiquent donc la direction dans laquelle une force agit sur une charge positive. La figure suivante montre le champ de gravitation de la Terre et le champ électrique d’une charge ponctuelle négative :

Le mécanisme par lequel la Terre attire la Lune est le même que celui par lequel des charges de signes opposés s’attirent.

Imaginez deux plaques métalliques face à face. Séparons maintenant la charge de sorte qu’une plaque soit chargée positivement et l’autre négativement. Un champ électrique se forme alors entre les plaques. Le champ exerce une force sur les charges situées entre les plaques. Une charge positive placée entre les plaques est attirée vers la plaque chargée négativement.

Nous pouvons orienter ces plaques comme nous le voulons dans l’espace. Nous pouvons inverser le sens du champ en inversant les charges des plaques. Nous pouvons séparer les charges à un endroit et transporter les plaques à un autre endroit, où le champ agit alors. Peu importe quand le champ a été créé et quand nous l’utilisons. Nous pouvons même faire varier l’intensité et la polarité du champ au cours du temps ; le champ n’est alors plus constant dans le temps.

De manière très simplifiée, une batterie contient un tel champ de charges séparées, stockées dans deux compartiments.

Nous pouvons simplement emporter le champ (c’est-à-dire la batterie) avec nous. La charge n’a même pas besoin de se trouver entre les plaques pour que la force agisse sur elle. Nous pouvons conduire l’effet de force du champ depuis les plaques par des câbles, par exemple jusqu’à une LED. Nous pouvons faire fonctionner des circuits complexes comme un smartphone avec une seule batterie, et il s’y trouve des centaines de modules dans lesquels de la charge est déplacée pour faire fonctionner quelque chose. Comparé au champ de gravitation terrestre, le champ électrique est donc extrêmement flexible. C’est cette propriété qui rend l’électronique si attrayante pour les solutions techniques.

Séparation de charges en électronique

Si nous comprenons comment ces champs sont utilisés dans les systèmes électroniques, nous pouvons aussi vraiment comprendre leur emploi en pratique. Pour simplifier, considérons des systèmes dans lesquels une très grande quantité de charge est séparée et dont seule une très petite partie est à nouveau équilibrée. Lorsque vous faites fonctionner une lampe de poche avec une batterie, une quantité extrêmement grande de charge est séparée dans la batterie. L’allumage de la LED n’équilibre qu’une très petite partie de cette charge séparée. Sinon, la batterie serait vide tout de suite. Pourquoi faisons-nous cela ? Parce que nous découplons ainsi la cause du champ de son effet. Pourquoi est-ce important ?

Lorsque deux charges isolées sont séparées, un champ apparaît déjà. Après l’équilibrage des charges, ce champ a de nouveau disparu. La charge crée donc son propre champ ; elle est à la fois cause du champ et objet sur lequel le champ agit. Cela donne des nœuds au cerveau. Et cette représentation n’est pas utile, car elle ne correspond pas à ce que nous avons en général en pratique.

Si une quantité extrêmement grande de charge est séparée entre deux corps et que nous considérons l’équilibrage d’une seule charge, nous pouvons admettre que le champ n’est pas modifié par ce petit équilibrage isolé. La cause et l’effet sont séparés. C’est cette image que nous utilisons désormais.

Pour aller plus loin

YouTube (en allemand)
Ignorez les formules de la vidéo et ne retenez que le principe.