Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre comment définir le courant électrique et comment déterminer son sens dans un circuit.
Le courant électrique est le flux de charge électrique. Rappelons que la charge électrique provient des différentes parties d’un atome, comme indiqué ci-dessous.
Les protons chargés positivement, en rose, et les neutrons non chargés, en vert, forment ensemble le noyau. Les électrons chargés négativement, en bleu, sont à l’extérieur du noyau.
Le courant électrique est le flux de charge électrique dans un conducteur électrique. Un conducteur électrique classique est un fil en métal tel que le cuivre, le fer ou l’argent.
Lorsqu’on parle du flux de charge électrique, on parle des électrons qui se déplacent dans le fil. Les protons et les neutrons ne bougent pas. Lorsque nous parlons de courant électrique, nous parlons du flux d’électrons se déplaçant dans le même sens le long de la même trajectoire. Le schéma ci-dessous montre un fil, avec des électrons le traversant.
Les électrons sont toujours à l’intérieur d’un fil, même lorsqu’ils ne se déplacent pas. Si les électrons se déplacent, cela signifie qu’il y a une charge électrique dans le fil. Le courant électrique est le flux de charge électrique dans un fil.
Si les électrons sont dans un fil mais ne bougent pas, alors la charge électrique ne circule pas, comme le montre le schéma ci-dessous.
Les électrons doivent avoir un mouvement pour qu’il y ait un courant électrique.
Regardons un exemple.
Exemple 1: Déterminer quelles parties d’un atome circulent dans un fil
Le schéma montre les électrons et les noyaux atomiques dans une section de fil de cuivre. Les cercles bleus représentent les électrons et les cercles rouges représentent les noyaux atomiques.
- Lorsqu’il y a un courant électrique dans le fil, les électrons se déplacent-ils dans le fil ?
- non
- oui
- Lorsqu’il y a un courant électrique dans le fil, les noyaux atomiques se déplacent-ils dans le fil ?
- oui
- non
Réponse
Partie 1
Lorsqu’il y a un courant électrique dans un fil, les électrons se déplacent. Si les électrons ne se déplacent pas, il n’y a pas de courant électrique.
La réponse est B : oui, les électrons se déplacent dans le fil.
Partie 2
Lorsqu’il y a un courant électrique, les noyaux atomiques restent immobiles. Seuls les électrons se déplacent lorsqu’il y a un courant électrique.
La réponse à la deuxième partie est B : non, les noyaux atomiques ne se déplacent pas dans le fil.
Le courant électrique est mesuré en ampères, ayant pour symbole A. Donc 10 ampères peut s’écrire 10 A. Quand il y a 0 A de courant dans un circuit, il n’y a aucun mouvement des électrons.
Lorsque nous discutons spécifiquement du mouvement des électrons dans un fil, nous pouvons nous référer à lui comme courant d’électrons, également appelé flux d’électrons.
Les électrons sont négatifs, alors ils s’écoulent vers la borne positive d’une pile et s’éloignent de la borne négative, comme le montre le schéma ci-dessous.
C’est le mouvement des électrons qui crée le courant électrique, car aucune autre particule chargée ne se déplace.
Regardons un exemple de question.
Exemple 2: Déterminer le sens du flux d’électrons dans un circuit
Le schéma montre un circuit électrique contenant une pile et une ampoule.
Dans quel sens les électrons circulent-ils dans le circuit ?
- dans le sens des aiguilles d’une montre
- dans le sens contraire des aiguilles d’une montre
Réponse
Dans un circuit, le flux d’électrons s’éloigne de la borne négative d’une pile et se dirige vers la borne positive.
Le côté le plus petit de la pile en haut de ce circuit est sa borne négative. Le côté le plus long de la pile est la borne positive. Le flux d’électrons dans ce circuit se déplacera donc dans le sens contraire des aiguilles d’une montre, comme sur le schéma ci-dessous.
La bonne réponse est B : dans le sens contraire des aiguilles d’une montre.
Bien que les noms soient très semblables, le courant d’électrons et le courant électrique ne représentent pas la même chose. Le courant d’électrons est le flux d’électrons dans un fil, et le courant électrique est le flux de porteurs de charge dans un fil.
Les premiers scientifiques ne savaient pas que les électrons circulaient dans un circuit quand il y avait présence d’un courant électrique. Lorsque ces scientifiques ont écrit au sujet du flux de charge électrique, ils ont supposé que le flux de charge électrique provenait de particules chargées positivement.
Cela signifie qu’ils ont mesuré le sens des porteurs de charge électrique de la borne positive à la borne négative d’une pile. Un tel flux électrique est représenté sur le schéma ci-dessous.
La convention établie par ces scientifiques est toujours utilisée par défaut comme sens du courant électrique. Ce sens du courant par défaut est appelé courant conventionnel.
La sens du courant conventionnel est l’opposé du courant d’électrons, car il suppose des porteurs de charge positifs. En réalité, aucune charge positive ne circule du tout ; elles sont purement fictives. Seuls les électrons se déplacent dans un fil. Un schéma comparant le courant conventionnel au courant d’électrons est illustré ci-dessous.
Le courant d’électrons, ou flux d’électrons, se réfère spécifiquement au flux des électrons. Le courant électrique est plus général, car il se réfère au flux des porteurs de charge, et, par défaut, il prend le sens du courant conventionnel.
Regardons quelques exemples de questions.
Exemple 3: Déterminer le sens du courant conventionnel à partir du flux d’électrons
Le schéma ci-dessous montre les électrons et les noyaux atomiques dans une section de fil de cuivre. Les cercles bleus représentent les électrons et les cercles rouges représentent les noyaux atomiques. Il y a un courant électrique dans le fil, et les électrons à l’intérieur se déplacent vers la droite.
Quelle est la direction du courant conventionnel dans le fil ?
- vers la droite
- vers la gauche
Réponse
Le flux des électrons chargés négativement sur le schéma est dirigé vers droite, mais le courant conventionnel suppose que les porteurs de charge dans le courant sont positifs.
Cela signifie que le sens du courant conventionnel est dans le sens opposé des électrons. Ce serait vers la gauche, car les électrons circulent vers la droite.
La bonne réponse est B : vers la gauche.
Exemple 4: Déterminer le sens du courant conventionnel dans un circuit
Le schéma montre un circuit électrique contenant une pile et une ampoule.
Quel est le sens du courant conventionnel dans le circuit ?
- dans le sens des aiguilles d’une montre
- dans le sens contraire des aiguilles d’une montre
Réponse
Le sens du courant conventionnel dans un circuit suppose des porteurs de charge positifs. Cela signifie que le flux de ces charges irait de la borne positive d’une pile vers la borne négative.
La borne positive de la pile, la ligne la plus longue, pointe vers le bas. Les charges positives devront alors circuler dans le sens contraire des aiguilles d’une montre, ce qui signifie que la bonne réponse est B.
Qu’un porteur de charge soit la charge positive fictive du courant conventionnel ou l’électron du courant d’électrons, la charge doit circuler pour qu’il y ait un courant électrique.
Peu importe la quantité de charge présente, c’est seulement le fait qu’elle se déplace. Le schéma ci-dessous montre deux circuits, l’un avec beaucoup plus d’électrons que l’autre.
Les deux circuits ont un courant de 0 A lorsque les électrons ne se déplacent pas, quel que soit le nombre d’électrons présents.
Les électrons ne sont pas non plus épuisés lorsque le courant diminue dans un circuit. Tous les électrons sont toujours présents ; ils se déplacent simplement plus lentement. Si le courant diminue à 0, cela signifie que les électrons ont complètement cessé de se déplacer. Le schéma ci-dessous montre les électrons qui se déplacent dans une ampoule, la mettent sous tension et la font s’allumer.
Lorsque les électrons traversent l’ampoule, celle-ci ne les utilise pas et ne les fait pas disparaître. Le mouvement des électrons est ce qui alimente l’ampoule, donc si les électrons se déplacent plus lentement, l’intensité de la lumière émise par l’ampoule sera plus faible. Si les électrons arrêtent de bouger complètement, l’ampoule n’émettra plus aucune lumière.
Regardons quelques exemples de questions.
Exemple 5: Décrire le nombre d’électrons dans un circuit suite à son fonctionnement
Le schéma montre un circuit électrique contenant une pile et une ampoule. Ce circuit est monté sur un établi et reste allumé pendant 1 heure.
À la fin de l’heure, y a-t-il plus d’électrons, moins d’électrons ou le même nombre d’électrons dans les fils du circuit qu’au début de l’heure ?
- Il y a plus d’électrons dans les fils.
- Il y a moins d’électrons dans les fils.
- Il y a le même nombre d’électrons dans les fils.
Réponse
Lorsque le circuit est sous tension, les électrons se déplacent dans le circuit, alimentant l’ampoule lorsqu’ils la traverse.
Les électrons alimentent l’ampoule par leur mouvement. Pendant 1 heure, certains électrons peuvent avoir ralenti lors de l’alimentation de l’ampoule, mais il y a toujours le même nombre total d’électrons dans le circuit.
À la fin de l’heure, après avoir alimenté l’ampoule, il y a le même nombre d’électrons dans les fils. La bonne réponse est C.
Exemple 6: Déterminer la cause d’une ampoule à intensité variable
Le schéma montre un circuit électrique contenant une pile et une ampoule. Ce circuit est monté sur un établi et reste allumé pendant 1 heure.
Au cours de l’heure, l’ampoule devient progressivement plus faible. Laquelle des affirmations suivantes explique correctement pourquoi ?
- Le nombre d’électrons dans la pile diminue avec le temps, il y a donc moins d’électrons qui peuvent circuler dans le circuit.
- La quantité d’énergie dans la pile diminue avec le temps, il y a moins d’énergie qui peut être convertie en lumière par l’ampoule.
Réponse
Lorsque le circuit est sous tension, les électrons se déplacent, alimentant l’ampoule lorsqu’ils la traverse.
Quand une ampoule s’assombrit, ce n’est pas parce qu’il y a moins d’électrons dans le circuit, il y a juste moins d’électrons en mouvement qui peuvent l’alimenter. Le nombre d’électrons dans le circuit reste le même.
Lorsque l’énergie de la pile s’épuise petit à petit, elle est incapable de pousser autant d’électrons dans le fil, et donc dans l’ampoule. La bonne réponse est B.
Résumons ce que nous avons appris dans cette fiche explicative.
Points clés
- Le courant électrique est le flux de charge électrique et se mesure en ampères.
- Le courant conventionnel suppose que les porteurs de charge sont positifs, ce qui signifie qu’ils s’éloignent des bornes positives et se dirigent vers les bornes négatives.
- Le courant d’électrons est le flux réel d’électrons, qui circule dans le sens opposé du courant conventionnel.
- Les électrons ne sont pas détruits ou utilisés dans un circuit lorsqu’il n’y a pas de courant ; ils s’arrêtent juste de bouger.
