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Vidéo de la leçon: Courant électrique Physique • Troisième année secondaire

Dans cette vidéo, nous allons apprendre à utiliser la formule 𝐼 = 𝑄/𝑡 pour calculer le courant à un point dans des circuits simples, étant donné la charge passant ce point à un moment donné.

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Transcription de la vidéo

Dans cette vidéo, notre sujet est le courant électrique. Le courant électrique est le flux de charge électrique. Et ici, nous voyons trois exemples de ce type de flux. Une ampoule qui s’allume dans un circuit électrique, notre doigt qui reçoit une petite décharge électrique lorsqu’il arrive près d’un bouton de porte, et même un éclair, sont tous des exemples de charge électrique en mouvement.

Avant de parler de courant électrique, réfléchissons à un courant que nous connaissons peut-être mieux. Disons que nous avons un canal qui transporte de l’eau, et cette eau coule de gauche à droite comme nous l’avons dessinée. L’eau qui coule comme ceci, qui se déplace dans la même direction, est appelée un courant. Et au-delà de la description du courant, rapide ou lent ou entre les deux, il est en effet possible de le quantifier. Nous pouvons dire que le courant, qui est une collection d’objets qui s’écoulent, comme l’eau qui coule dans ce canal, est égal à la quantité de substance qui coule divisée par une quantité de temps.

Supposons, par exemple, que nous nous tenions au bout de cette cuvette et que nous comptions, à l'aide d'un chronomètre, un certain temps, disons une seconde. Et disons aussi que pendant cet intervalle de temps, nous avons collecté toute l’eau qui sortait du canal. Dans ce cas, nous mesurons la quantité de substance qui circule dans un canal en un certain laps de temps. En connaissant ces deux quantités et en faisant leur rapport, nous pourrions calculer le courant qui traverse ce canal. Et cette méthode s’applique à tout type de courant, que ce soit l’eau qui coule, une sorte de gaz ou même une charge électrique.

Eh bien, quand on parle d’eau, on sait que c’est la pesanteur qui fait couler cette substance. Mais quand on parle de charges électriques, négatives et positives, c’est une force complètement différente. Chaque fois qu’il y a un objet avec une charge électrique nette, cet objet crée un champ électrique autour de lui. Ce champ, qui est dirigé vers l’intérieur pour les charges négatives et vers l’extérieur pour les charges positives, a un effet sur tous les autres objets chargés électriquement à proximité.

Ensuite, imaginons que ces deux objets chargés sont fixes. Ils ne peuvent pas bouger. Mais disons que nous plaçons entre eux une charge électrique capable de se déplacer, et qu’il s’agit d’une charge électrique positive. En raison du champ électrique dans lequel se trouve cette charge, elle subit une force électrique. Si nous rappelons la règle selon laquelle les charges électriques de même charge se repoussent et, les charges opposées s’attirent, nous pouvons voir que cette charge positive sera attirée vers la charge négative, et elle sera repoussée de la positive. Et puis, réfléchissons à ce qui se passe si nous augmentons l’espace entre nos deux charges fixes, et si nous plaçons également beaucoup plus de charges positives entre elles.

Dans ce cas, chacune de ces charges sera à nouveau attirée vers la charge négative, et elle sera repoussée de la positive. Les charges collectivement commencent alors à circuler de droite à gauche. Nous pouvons voir que lorsque ces charges bougent, nous avons un courant. Dans ce cas, le courant est fait de charges électriques. Et qui plus est, nous pouvons quantifier ce courant en fonction de cette relation. Disons que nous traçons une ligne en pointillé sur la trajectoire de notre charge électrique en mouvement. Puis, pendant une certaine quantité de temps que nous choisissons, disons une seconde, nous comptons combien de ces charges positives passent devant notre ligne.

Eh bien, lorsque notre courant se composait d’eau qui coule comme nous l’avons vu il y a un instant, nous n’avions pas besoin de mesurer des molécules d’eau individuelles pour mesurer le courant global. C’est parce que, dans ce cas, notre substance fluide était simplement de l’eau. Mais maintenant, notre substance qui coule est une charge électrique, il sera donc important de savoir quelle est la charge électrique de chacune de ces charges en mouvement. Disons que chacune a la charge d’un proton. Nous l’appellerons 𝑞 indice p.

La charge électrique est mesurée en unités de coulombs abrégés en C majuscule. Et la charge d’un proton est de 1,6 fois 10 à la puissance moins 19 coulombs. Ainsi, chacune de ces charges positives a une charge nette de 1,6 fois 10 à la puissance moins 19 coulombs, et ces charges passent notre ligne, et nous les comptons. Et imaginons qu’après une seconde, c’est la quantité de temps pendant laquelle nous allons calculer notre courant, nous comptons un certain nombre de charges positives que nous appellerons simplement 𝑁. 𝑁 pourrait être cinq ou 10.000 ou toute autre valeur entière. C’est le nombre de charges positives qui passent notre ligne pointillée en une seconde.

Maintenant, si nous devions diviser 𝑁 par une seconde comme cela, alors, dans ce cas, notre courant serait calculé en fonction du nombre d’objets en mouvement chargés positivement. Mais ce que nous voulons vraiment, au lieu de cela, c’est calculer ce courant électrique en fonction du débit total en charge. En d’autres termes, nous aimerions que notre numérateur soit la charge électrique totale qui passe par notre ligne pointillée en une seconde.

Et puisque chacune de nos charges mobiles a la charge nette d’un proton, cela signifie que nous pouvons multiplier 𝑁 par 𝑞 indice 𝑝, et cela équivaudra à la charge totale qui est passée devant notre ligne en une seconde. Si nous posons 𝑁 fois 𝑞 indice p égal au symbole 𝑄 majuscule, alors 𝑄 majuscule représente la charge totale qui a passé notre point. Ainsi, la quantité totale de charge fluide que nous avons est 𝑄 majuscule, et la quantité totale de temps écoulé est d’une seconde. 𝑄 divisé par une seconde est donc égal au courant de charge électrique, c’est-à-dire la charge qui circule entre cette charge positive fixe et cette charge négative fixe.

Donc, nous avons vu que lorsque nous parlons de courant électrique, notre quantité de substance qui coule est la charge électrique. Et nous avons vu plus loin que cette charge est mesurée en unités appelées coulombs. Eh bien, si nous avons un coulomb de charge électrique passant un point toutes les secondes, alors nous avons ce qu’on appelle un ampère de courant électrique, où l’ampère est symbolisé par un A majuscule. Tout comme le coulomb est l’unité de charge électrique et la seconde est l’unité de base du SI du temps, l’ampère est l’unité de courant de base du SI.

En général cependant, lorsque nous parlons de courant électrique, nous n’aurons pas exactement un coulomb de charge par seconde. Au lieu de cela, nous aurons une quantité générale de charge que nous pouvons appeler 𝑄 et aussi une quantité générale de temps que nous pouvons appeler 𝑡. Et c’est ce rapport, 𝑄 divisé par 𝑡, qui est égal au courant électrique 𝐼. Et à partir de notre équation des unités ci-dessous, nous pouvons écrire que le courant mesuré en unités d’ampères est égal à la charge totale mesurée en unités de coulombs divisée par le temps total mesuré en unités de secondes.

Après avoir parlé du flux de charge électrique en général, parlons-en dans un cas spécifique, lorsque cette charge passe par dans fils électriques. Ici, nous avons une boucle de fil, et un segment du fil, cette partie ici, qui est agrandie pour une vue rapprochée. Comme tous les fils électriques, celui-ci est fait d’un matériau conducteur, une sorte de métal en général. Cela signifie que lorsque nous pensons aux atomes qui composent le fil, ces atomes sont constitués d’un noyau et un certain nombre d’électrons qui sont assez fortement liés au noyau.

Mais alors, il y a au moins un électron, qui, même s’il orbite autour du noyau pour le moment, sera facile du point de vue énergétique d’éloigner de cet atome. Autrement dit, il ne faudrait pas beaucoup d’énergie pour séparer cet électron de l’atome et le faire circuler librement. Voilà donc comment ces atomes de métal sont faits. Et si nous agrandissons pour observer la façon dont ces atomes sont disposés dans le fil, les noyaux de ces atomes, où résident tous les protons chargés positivement, sont disposés selon une grille assez stable. Dans une large mesure, ces noyaux sont fixes. Ils ne peuvent pas bouger. Mais ce qui peut se déplacer facilement dans ce fil, ce sont les électrons libres de chaque atome conducteur.

Et rappelez-vous que tous les autres segments de ce fil sont comme celui que nous avons dessiné agrandi ici. Donc, tout le long de cette boucle de fil, il y a ces noyaux atomiques chargés positivement selon un motif de grille, puis ces électrons très peu attachés à ces noyaux. Plus tôt, nous avons vu qu’un champ électrique est quelque chose qui peut exercer une force électrique et créer un mouvement dans les charges électriques. Et c’est exactement le mécanisme utilisé pour créer le flux de charge électrique dans un circuit électrique.

En règle générale, ce qui alimente ce champ électrique est une pile ou une batterie que nous mettons dans le circuit. Comme nous l’avons dessiné, le côté gauche de cette pile est chargé positivement, et le côté droit est chargé négativement. Et la présence de cette pile avec ces extrémités chargées de manière opposée établit un champ électrique tout au long de ce fil. Nous avons vu précédemment que les champs électriques pointent dans la direction opposée aux charges positives et vers les charges négatives. En d’autres termes, ils nous montrent la direction vers laquelle les charges positives sont poussées. C’est la même chose pour le champ électrique tout au long des points de circuit. Il pointe dans le sens des aiguilles d’une montre, donc il s’éloigne du positif et est dirigé vers le négatif.

Et comme nous l’avons vu précédemment, ce champ aura un effet sur le mouvement des charges libres dans notre fil. Rappelons que ces charges libres sont des électrons parce que tous les protons chargés positivement sont liés au cœur des noyaux atomiques. Ils ne peuvent pas beaucoup bouger, mais les électrons, plus libres, le peuvent. Et donc, les électrons libres commencent à se déplacer, mais dans quelle direction? Eh bien, comme ils ont une charge électrique négative, ils sont attirés par une charge positive et repoussés des autres charges négatives. Cela signifie que le mouvement moyen de ces charges négatives se fera dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. Et ce sont ces charges négatives en mouvement qui donnent à ce fil un courant, c’est-à-dire un flux continu de charge électrique.

Maintenant, pour des raisons historiques, on ne pensait pas que les charges en mouvement dans un circuit électrique étaient chargées négativement, mais plutôt chargées positivement. Si c’était vrai, si les charges positives pouvaient se déplacer dans les fils conducteurs, alors nous pourrions voir que dans ce circuit, elles se déplaceraient dans le sens des aiguilles d’une montre. Et c’est parce que c’est cette direction, pour une charge positive, qui l’amènerait à se déplacer vers la borne négative de notre pile et à s’éloigner de la borne positive.

Même si nous savons maintenant que ce sont les électrons chargés négativement qui se déplacent et créent du courant dans un fil, car les premières notions de flux de charge dans un circuit électrique soutenaient que c’était des charges positives qui se déplaçaient, c’est ce flux de charge dans cette direction qui est mentionné, même aujourd’hui, comme courant conventionnel. Nous pouvons dire que la direction du courant conventionnel est la direction par laquelle les charges positives circuleraient dans un fil si elles se déplaçaient réellement. Nous pouvons comprendre, cependant, que pour un fil métallique, le flux de charge réel, le courant réel, consiste en un mouvement de charges négatives, des électrons. Et naturellement, ce flux est dans la direction opposée au courant conventionnel.

Il est important de comprendre cette distinction car, souvent, on nous donnera un exemple de scénario où on nous dira simplement la direction du courant. Lorsqu’on nous dit cela, ce qui est décrit c’est le flux de courant conventionnel, le mouvement de charge positive. Alors, en général, lorsque nous ne sommes pas obligés de parler du flux de charge dans les fils, les charges positives et négatives peuvent se déplacer et faire partie du courant électrique. Mais dans la grande majorité des cas que nous rencontrerons cela consistera en un flux de charge dans des fils métalliques. Et lorsque tel est le cas, il sera utile de rappeler que les charges positives ne se déplacent pas dans ces circuits. Mais les charges négatives, les électrons, le font.

Et il convient de noter que chacun de ces électrons en circulation a une charge électrique qui est égale et opposée à la charge d’un proton. C’est-à-dire que si nous appelons la charge d’un électron 𝑞 indice e, alors cette charge est égale à moins 1,6 fois 10 moins 19 coulombs. Et chacun de ces électrons s’ajoute pour contribuer à une quantité totale de charge mobile sur une certaine période de temps, ce qui définit le courant dans le circuit.

Maintenant, résumons ce que nous avons appris sur le courant électrique. Au début, en considérant le courant dans une perspective plus large, nous avons vu que le courant peut être défini comme une quantité de substance qui s’écoule pendant une période de temps. Nous avons ensuite considéré que cette substance qui s’écoule peut être une charge électrique et que ce sont les champs électriques qui créent une force électrique sur les objets chargés, ce qui a tendance à les faire bouger. Nous avons vu plus loin que la charge électrique est mesurée en unités appelées coulombs, et un coulomb par seconde est égal à l’unité de courant électrique, l’ampère. Et l’ampère représente donc une certaine quantité de charge électrique passant par un point chaque seconde.

En développant cela, nous avons vu que le courant électrique 𝑖 en unités d’ampères est égal à une quantité totale de charge 𝑞 en unités de coulombs divisée par une quantité totale de temps en unités de secondes. Et enfin, nous avons vu que dans un circuit électrique câblé alimenté par une pile ou une batterie, la direction dans laquelle les charges positives circuleraient, si elles circulaient dans un tel circuit, est appelée la direction du courant conventionnel, tandis que la direction des électrons, les charges qui se déplacent réellement dans un tel circuit, est opposé à cela. Ceci est un résumé du courant électrique.

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