Pour comprendre les principes fondamentaux de l'électricité, nous devons commencer par nous concentrer sur les atomes, l'un des éléments de base de la vie et de la matière. Les atomes existent sous plus d'une centaine de formes différentes en tant qu'éléments chimiques comme l'hydrogène, le carbone, l'oxygène et le cuivre. Des atomes de nombreux types peuvent se combiner pour former des molécules, qui forment la matière que nous pouvons physiquement voir et toucher.

Les atomes sont minuscules , s'étendant au maximum à environ 300 picomètres de long (c'est-à-dire 3x10 ^-10 ou 0,0000000003 mètres). Un penny en cuivre (s'il était en fait composé à 100% de cuivre) contiendrait 3,2x10 ²² atomes (32 000 000 000 000 000 000 000 atomes) de cuivre à l'intérieur.

Même l'atome n'est pas assez petit pour expliquer le fonctionnement de l'électricité. Nous devons plonger un niveau de plus et examiner les éléments constitutifs des atomes : les protons, les neutrons et les électrons.

Blocs de construction d'atomes

Un atome est construit avec une combinaison de trois particules distinctes : les électrons, les protons et les neutrons. Chaque atome a un noyau central, où les protons et les neutrons sont densément regroupés. Autour du noyau se trouvent un groupe d'électrons en orbite.

Un modèle d'atome très simple. Ce n'est pas à l'échelle mais utile pour comprendre comment un atome est construit. Un noyau central de protons et de neutrons est entouré d'électrons en orbite.

Chaque atome doit contenir au moins un proton. Le nombre de protons dans un atome est important, car il définit quel élément chimique l'atome représente. Par exemple, un atome avec un seul proton est l'hydrogène, un atome avec 29 protons est le cuivre et un atome avec 94 protons est le plutonium. Ce nombre de protons s'appelle le numéro atomique de l'atome.

Le noyau partenaire du proton, les neutrons, a une fonction importante ; ils maintiennent les protons dans le noyau et déterminent l'isotope d'un atome. Ils ne sont pas essentiels à notre compréhension de l'électricité, alors ne nous en soucions pas pour ce didacticiel.

Les électrons sont essentiels au fonctionnement de l'électricité (remarquez un thème commun dans leurs noms ?) Dans son état le plus stable et le plus équilibré, un atome aura le même nombre d'électrons que de protons. Comme dans le modèle d'atome de Bohr ci-dessous, un noyau avec 29 protons (ce qui en fait un atome de cuivre) est entouré d'un nombre égal d'électrons.

Notre compréhension des atomes a évolué, tout comme notre méthode pour les modéliser. Le modèle de Bohr est un modèle d'atome très utile lorsque nous explorons l'électricité.

Les électrons de l'atome ne sont pas tous liés à jamais à l'atome. Les électrons sur l'orbite externe de l'atome sont appelés électrons de valence. Avec une force extérieure suffisante, un électron de valence peut s'échapper de l'orbite de l'atome et devenir libre. Les électrons libres nous permettent de déplacer la charge, ce qui est la raison d'être de l'électricité. En parlant de charge...

Comme nous l'avons mentionné au début de ce tutoriel, l'électricité est définie comme le flux de charge électrique. La charge est une propriété de la matière, tout comme la masse, le volume ou la densité. C'est mesurable. Tout comme vous pouvez quantifier la masse de quelque chose, vous pouvez mesurer sa charge. Le concept clé de la charge est qu'elle peut être de deux types : positive (+) ou négative (-) .

Pour déplacer une charge, nous avons besoin de porteurs de charge , et c'est là que notre connaissance des particules atomiques, en particulier des électrons et des protons, est utile. Les électrons portent toujours une charge négative, tandis que les protons sont toujours chargés positivement. Les neutrons (fidèles à leur nom) sont neutres, ils n'ont pas de charge. Les électrons et les protons portent la même quantité de charge, juste un type différent.

Un modèle d'atome  avec les charges étiquetées.

La charge des électrons et des protons est importante, car elle nous donne les moyens d'exercer une force sur eux. Force électrostatique!

Force électrostatique

La force électrostatique (également appelée loi de Coulomb ) est une force qui agit entre les charges. Il indique que les charges de même type se repoussent, tandis que les charges de types opposés s'attirent. Les contraires s'attirent et les goûts se repoussent .

La quantité de force agissant sur deux charges dépend de la distance qui les sépare. Plus deux charges se rapprochent, plus la force (soit en poussant ensemble, soit en s'éloignant) devient grande.

Grâce à la force électrostatique, les électrons repousseront les autres électrons et seront attirés par les protons. Cette force fait partie de la "colle" qui maintient les atomes ensemble, mais c'est aussi l'outil dont nous avons besoin pour faire circuler les électrons (et les charges) !

Faire couler les charges

Nous avons maintenant tous les outils pour faire couler les charges. Les électrons dans les atomes peuvent agir comme notre porteur de charge , car chaque électron porte une charge négative. Si nous pouvons libérer un électron d'un atome et le forcer à se déplacer, nous pouvons créer de l'électricité.

Considérons le modèle atomique d'un atome de cuivre, l'une des sources élémentaires préférées pour le flux de charge. Dans son état équilibré, le cuivre a 29 protons dans son noyau et un nombre égal d'électrons en orbite autour de lui. Les électrons orbitent à des distances variables du noyau de l'atome. Les électrons plus proches du noyau ressentent une attraction beaucoup plus forte vers le centre que ceux des orbites éloignées. Les électrons les plus externes d'un atome sont appelés les électrons de valence , ceux-ci nécessitent le moins de force pour être libérés d'un atome.

Voici un diagramme d'atomes de magnésium : 12 protons dans le noyau, entourés de bandes d'électrons circulaires. Les électrons plus proches du noyau sont difficiles à éliminer tandis que l'électron de valence (anneau extérieur) nécessite relativement peu d'énergie pour être éjecté de l'atome.

En utilisant suffisamment de force électrostatique sur l'électron de valence - soit en le poussant avec une autre charge négative, soit en l'attirant avec une charge positive - nous pouvons éjecter l'électron de l'orbite autour de l'atome en créant un électron libre.

Considérons maintenant un fil de cuivre : une matière remplie d'innombrables atomes de cuivre. Comme notre électron libre flotte dans un espace entre les atomes, il est tiré et poussé par les charges environnantes dans cet espace. Dans ce chaos, l'électron libre finit par trouver un nouvel atome auquel s'accrocher ; ce faisant, la charge négative de cet électron éjecte un autre électron de valence de l'atome. Maintenant, un nouvel électron dérive dans l'espace libre et cherche à faire la même chose. Cet effet de chaîne peut continuer indéfiniment pour créer un flux d'électrons appelé courant électrique .

Un modèle très simplifié de charges traversant les atomes pour produire du courant.

Conductivité

Certains types élémentaires d'atomes sont meilleurs que d'autres pour libérer leurs électrons. Pour obtenir le meilleur flux d'électrons possible, nous voulons utiliser des atomes qui ne tiennent pas très fermement leurs électrons de valence. La conductivité d'un élément mesure à quel point un électron est étroitement lié à un atome.

Les éléments à haute conductivité, qui ont des électrons très mobiles, sont appelés conducteurs . Ce sont les types de matériaux que nous voulons utiliser pour fabriquer des fils et d'autres composants qui facilitent le flux d'électrons. Les métaux comme le cuivre, l'argent et l'or sont généralement nos meilleurs choix pour de bons conducteurs.

Les éléments à faible conductivité sont appelés isolants . Les isolants remplissent une fonction très importante : ils empêchent le flux d'électrons. Les isolants populaires comprennent le verre, le caoutchouc, le plastique et l'air.

Avant d'aller plus loin, parlons des deux formes que peut prendre l'électricité : statique ou courant. En travaillant avec l'électronique, l'électricité actuelle sera beaucoup plus courante, mais l'électricité statique est également importante à comprendre.

Électricité statique

L'électricité statique existe lorsqu'il y a une accumulation de charges opposées sur des objets séparés par un isolant. L'électricité statique (comme dans "au repos") existe jusqu'à ce que les deux groupes de charges opposées puissent trouver un chemin entre eux pour équilibrer le système.

Lorsque les charges trouvent un moyen de s'équilibrer, une décharge statique se produit. L'attraction des charges devient si grande qu'elles peuvent traverser même les meilleurs isolants (air, verre, plastique, caoutchouc, etc.). Les décharges statiques peuvent être nocives selon le support par lequel les charges se déplacent et sur quelles surfaces les charges sont transférées. L'égalisation des charges à travers un entrefer peut entraîner un choc visible lorsque les électrons en déplacement entrent en collision avec des électrons dans l'air, qui deviennent excités et libèrent de l'énergie sous forme de lumière.

Les allumeurs à éclateur sont utilisés pour créer une décharge statique contrôlée. Des charges opposées s'accumulent sur chacun des conducteurs jusqu'à ce que leur attraction soit si grande que des charges puissent circuler dans l'air.

L'un des exemples les plus dramatiques de décharge statique est la foudre . Lorsqu'un système nuageux rassemble suffisamment de charges par rapport à un autre groupe de nuages ​​ou au sol terrestre, les charges essaieront de s'égaliser. Au fur et à mesure que le nuage se décharge, des quantités massives de charges positives (ou parfois négatives) traversent l'air du sol au nuage, provoquant l'effet visible que nous connaissons tous.

L'électricité statique existe aussi familièrement lorsque nous frottons des ballons sur notre tête pour faire dresser nos cheveux, ou lorsque nous traînons sur le sol avec des pantoufles pelucheuses et choquons le chat de la famille (accidentellement, bien sûr). Dans chaque cas, la friction due au frottement de différents types de matériaux transfère des électrons. L'objet perdant des électrons devient chargé positivement, tandis que l'objet gagnant des électrons devient chargé négativement. Les deux objets deviennent attirés l'un vers l'autre jusqu'à ce qu'ils puissent trouver un moyen de s'égaliser.

En travaillant avec l'électronique, nous n'avons généralement pas à faire face à l'électricité statique. Lorsque nous le faisons, nous essayons généralement de protéger nos composants électroniques sensibles contre les décharges statiques. Les mesures préventives contre l'électricité statique comprennent le port de bracelets ESD (décharge électrostatique) ou l'ajout de composants spéciaux dans les circuits pour se protéger contre les pointes de charge très élevées.

Électricité actuelle

L'électricité actuelle est la forme d'électricité qui rend tous nos gadgets électroniques possibles. Cette forme d'électricité existe lorsque les charges peuvent circuler constamment . Contrairement à l'électricité statique où les charges s'accumulent et restent au repos, l'électricité actuelle est dynamique, les charges sont toujours en mouvement. Nous nous concentrerons sur cette forme d'électricité tout au long du didacticiel.

Circuits

Pour circuler, l'électricité actuelle nécessite un circuit : une boucle fermée et sans fin de matériau conducteur. Un circuit peut être aussi simple qu'un fil conducteur connecté bout à bout, mais les circuits utiles contiennent généralement un mélange de fils et d'autres composants qui contrôlent le flux d'électricité. La seule règle quand il s'agit de faire des circuits est qu'ils ne peuvent pas avoir de lacunes isolantes .

Si vous avez un fil plein d'atomes de cuivre et que vous voulez induire un flux d'électrons à travers lui, tous les électrons libres ont besoin d'un endroit pour circuler dans la même direction générale. Le cuivre est un excellent conducteur, parfait pour faire circuler les charges. Si un circuit de fil de cuivre est cassé, les charges ne peuvent pas circuler dans l'air, ce qui empêchera également les charges vers le milieu d'aller n'importe où.

En revanche, si le fil était connecté bout à bout, les électrons ont tous un atome voisin et peuvent tous circuler dans la même direction générale.

Nous comprenons maintenant comment les électrons peuvent circuler, mais comment les faire circuler en premier lieu ? Ensuite, une fois que les électrons circulent, comment produisent-ils l'énergie nécessaire pour éclairer les ampoules ou faire tourner les moteurs ? Pour cela, nous devons comprendre les champs électriques.

Nous savons comment les électrons traversent la matière pour créer de l'électricité. C'est tout ce qu'il y a à l'électricité. Eh bien, presque tous. Maintenant, nous avons besoin d'une source pour induire le flux d'électrons. Le plus souvent, cette source de flux d'électrons proviendra d'un champ électrique.

Qu'est-ce qu'un champ ?

Un champ est un outil que nous utilisons pour modéliser des interactions physiques qui n'impliquent aucun contact observable . Les champs ne peuvent pas être vus car ils n'ont pas d'apparence physique, mais l'effet qu'ils ont est très réel.

Nous sommes tous inconsciemment familiers avec un champ en particulier : le champ gravitationnel de la Terre , l'effet d'un corps massif attirant d'autres corps. Le champ gravitationnel de la Terre peut être modélisé avec un ensemble de vecteurs pointant tous vers le centre de la planète ; peu importe où vous vous trouvez sur la surface, vous sentirez la force qui vous pousse vers elle.

La force ou l'intensité des champs n'est pas uniforme à tous les points du champ. Plus vous êtes loin de la source du champ, moins le champ a d'effet. La magnitude du champ gravitationnel de la Terre diminue à mesure que vous vous éloignez du centre de la planète.

Alors que nous continuons à explorer les champs électriques, rappelez-vous en particulier comment fonctionne le champ gravitationnel de la Terre, les deux champs partagent de nombreuses similitudes. Les champs gravitationnels exercent une force sur les objets de masse, et les champs électriques exercent une force sur les objets de charge.

Les champs électriques (champs électroniques) sont un outil important pour comprendre comment l'électricité commence et continue de circuler. Les champs électriques décrivent la force de traction ou de poussée dans un espace entre les charges . Par rapport au champ gravitationnel de la Terre, les champs électriques ont une différence majeure : alors que le champ terrestre n'attire généralement que d'autres objets de masse (puisque tout est beaucoup moins massif), les champs électriques repoussent les charges aussi souvent qu'ils les attirent.

La direction des champs électriques est toujours définie comme la direction dans laquelle une charge de test positive se déplacerait si elle tombait dans le champ. La charge de test doit être infiniment petite, pour éviter que sa charge n'influence le champ.

Nous pouvons commencer par construire des champs électriques pour des charges positives et négatives solitaires. Si vous laissiez tomber une charge de test positive près d'une charge négative, la charge de test serait attirée vers la charge négative . Ainsi, pour une seule charge négative, nous dessinons nos flèches de champ électrique pointant vers l'intérieur dans toutes les directions. Cette même charge de test abandonnée près d'une autre charge positive entraînerait une répulsion vers l'extérieur, ce qui signifie que nous dessinons des flèches sortant de la charge positive.

Les champs électriques de charges simples. Une charge négative a un champ électrique vers l'intérieur car elle attire les charges positives. La charge positive a un champ électrique extérieur, repoussant comme des charges.

Des groupes de charges électriques peuvent être combinés pour créer des champs électriques plus complets.

Le champ électronique uniforme ci-dessus s'éloigne des charges positives, vers les négatifs. Imaginez une petite charge de test positive tombée dans le champ électronique ; il doit suivre la direction des flèches. Comme nous l'avons vu, l'électricité implique généralement le flux d'électrons - des charges négatives - qui circulent contre les champs électriques.

Les champs électriques nous fournissent la force de poussée dont nous avons besoin pour induire le flux de courant. Un champ électrique dans un circuit est comme une pompe à électrons : une grande source de charges négatives qui peut propulser des électrons, qui circuleront à travers le circuit vers le bloc de charges positives.

Lorsque nous exploitons l'électricité pour alimenter nos circuits, gadgets et gadgets, nous transformons vraiment l'énergie. Les circuits électroniques doivent être capables de stocker de l'énergie et de la transférer sous d'autres formes comme la chaleur, la lumière ou le mouvement. L'énergie stockée d'un circuit est appelée énergie potentielle électrique.

Énergie? Énergie potentielle?

Pour comprendre l'énergie potentielle, nous devons comprendre l'énergie en général. L'énergie est définie comme la capacité d'un objet à travailler sur un autre objet, ce qui signifie déplacer cet objet sur une certaine distance. L'énergie se présente sous de nombreuses formes , certaines que nous pouvons voir (comme mécanique) et d'autres que nous ne pouvons pas (comme chimique ou électrique). Quelle que soit sa forme, l'énergie existe dans l'un des deux états suivants : cinétique ou potentiel.

Un objet a de l'énergie cinétique lorsqu'il est en mouvement. La quantité d'énergie cinétique d'un objet dépend de sa masse et de sa vitesse. L'énergie potentielle , quant à elle, est une énergie stockée lorsqu'un objet est au repos. Il décrit la quantité de travail que l'objet pourrait faire s'il était mis en mouvement. C'est une énergie que nous pouvons généralement contrôler. Lorsqu'un objet est mis en mouvement, son énergie potentielle se transforme en énergie cinétique.

Revenons à l'utilisation de la gravité comme exemple. Une boule de bowling immobile au sommet de la tour Khalifa a beaucoup d'énergie potentielle (stockée). Une fois lâchée, la balle, entraînée par le champ gravitationnel, accélère vers le sol. Lorsque la balle accélère, l'énergie potentielle est convertie en énergie cinétique (l'énergie du mouvement). Finalement, toute l'énergie de la balle est convertie de potentiel en cinétique, puis transmise à tout ce qu'elle touche. Lorsque la balle est au sol, elle a une énergie potentielle très faible.

Énergie potentielle électrique

Tout comme la masse dans un champ gravitationnel a une énergie potentielle gravitationnelle, les charges dans un champ électrique ont une énergie potentielle électrique . L'énergie potentielle électrique d'une charge décrit la quantité d'énergie stockée dont elle dispose, lorsqu'elle est mise en mouvement par une force électrostatique, cette énergie peut devenir cinétique et la charge peut fonctionner.

Comme une boule de bowling assise au sommet d'une tour, une charge positive à proximité d'une autre charge positive a une énergie potentielle élevée ; laissée libre de se déplacer, la charge serait repoussée loin de la même charge. Une charge de test positive placée près d'une charge négative aurait une faible énergie potentielle, analogue à la boule de bowling au sol.

Pour instiller quoi que ce soit avec de l'énergie potentielle, nous devons travailler en le déplaçant sur une distance. Dans le cas de la boule de bowling, le travail consiste à la porter sur 163 étages, contre le champ de gravité. De même, un travail doit être fait pour pousser une charge positive contre les flèches d'un champ électrique (soit vers une autre charge positive, soit à l'opposé d'une charge négative). Plus la charge monte dans le champ, plus vous avez de travail à faire. De même, si vous essayez d'éloigner une charge négative d' une charge positive - contre un champ électrique - vous devez travailler.

Pour toute charge située dans un champ électrique, son énergie potentielle électrique dépend du type (positif ou négatif), de la quantité de charge et de sa position dans le champ. L'énergie potentielle électrique est mesurée en unités de joules ( J ).

Potentiel électrique

Le potentiel électrique s'appuie sur l' énergie potentielle électrique pour aider à définir la quantité d' énergie stockée dans les champs électriques . C'est un autre concept qui nous aide à modéliser le comportement des champs électriques. Le potentiel électrique n'est pas la même chose que l'énergie potentielle électrique !

En tout point d'un champ électrique, le potentiel électrique est la quantité d'énergie potentielle électrique divisée par la quantité de charge à ce point. Cela retire la quantité de charge de l'équation et nous laisse une idée de la quantité d'énergie potentielle que des zones spécifiques du champ électrique peuvent fournir. Le potentiel électrique est exprimé en joules par coulomb ( J/C ), que nous définissons comme un volt (V).

Dans tout champ électrique, il existe deux points de potentiel électrique qui nous intéressent particulièrement. Il y a un point de potentiel élevé, où une charge positive aurait l'énergie potentielle la plus élevée possible, et il y a un point de potentiel bas, où une charge aurait l'énergie potentielle la plus faible possible.

L'un des termes les plus courants dont nous discutons dans l'évaluation de l'électricité est la tension . Une tension est la différence de potentiel entre deux points d'un champ électrique. La tension nous donne une idée de la force de poussée d'un champ électrique.

Avec l'énergie potentielle et potentielle à notre actif, nous avons tous les ingrédients nécessaires pour fabriquer de l'électricité actuelle. Faisons-le!

Après avoir étudié la physique des particules, la théorie des champs et l'énergie potentielle, nous en savons maintenant assez pour faire circuler l'électricité. Faisons un circuit !

Nous allons d'abord passer en revue les ingrédients dont nous avons besoin pour fabriquer de l'électricité :

• La définition de l'électricité est le flux de charge . Habituellement, nos charges seront portées par des électrons à écoulement libre.
• Les électrons chargés négativement sont attachés de manière lâche aux atomes de matériaux conducteurs. Avec une petite poussée, nous pouvons libérer les électrons des atomes et les faire circuler dans une direction généralement uniforme.
• Un circuit fermé de matériau conducteur fournit un chemin pour que les électrons circulent en continu.
• Les charges sont propulsées par un champ électrique . Nous avons besoin d'une source de potentiel électrique (tension), qui pousse les électrons d'un point de faible énergie potentielle vers une énergie potentielle plus élevée.

Un court-circuit

Les batteries sont des sources d'énergie courantes qui convertissent l'énergie chimique en énergie électrique. Ils ont deux bornes, qui se connectent au reste du circuit. Sur un terminal, il y a un excès de charges négatives, tandis que toutes les charges positives fusionnent sur l'autre. C'est une différence de potentiel électrique qui ne demande qu'à agir !

Si nous connectons notre fil rempli d'atomes de cuivre conducteurs à la batterie, ce champ électrique influencera les électrons libres chargés négativement dans les atomes de cuivre. Poussés simultanément par la borne négative et tirés par la borne positive, les électrons du cuivre se déplaceront d'atome en atome, créant le flux de charge que nous connaissons sous le nom d'électricité.

Après une seconde du flux de courant, les électrons se sont en fait très peu déplacés - des fractions de centimètre. Cependant, l'énergie produite par le flux de courant est énorme , d'autant plus qu'il n'y a rien dans ce circuit pour ralentir le flux ou consommer de l'énergie. Connecter un conducteur pur directement à travers une source d'énergie est une mauvaise idée . L'énergie se déplace très rapidement à travers le système et se transforme en chaleur dans le fil, qui peut rapidement se transformer en fil de fusion ou en feu.

Allumer une ampoule

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Alors que les électrons se déplacent à une vitesse d'escargot, le champ électrique affecte l'ensemble du circuit presque instantanément (nous parlons de vitesse de la lumière rapide). Les électrons dans tout le circuit, que ce soit au potentiel le plus bas, au potentiel le plus élevé ou juste à côté de l'ampoule, sont influencés par le champ électrique. Lorsque l'interrupteur se ferme et que les électrons sont soumis au champ électrique, tous les électrons du circuit commencent à circuler apparemment au même moment. Les charges les plus proches de l'ampoule feront un pas dans le circuit et commenceront à transformer l'énergie électrique en lumière (ou chaleur).

Ressources et aller plus loin

Dans ce tutoriel, nous n'avons découvert qu'une infime partie de la pointe de l'iceberg proverbial. Il reste encore une tonne de concepts à découvrir.   Maintenant que vous savez tout sur les champs électriques (tension) et les électrons qui circulent (courant), vous êtes sur la bonne voie pour comprendre la loi qui régit leur interaction.