Si un milieu contient des porteurs de charges libres (par exemple, des électrons dans un métal), ceux-ci ne sont pas au repos, mais se déplacent de manière chaotique. Mais il est possible de faire en sorte que les électrons se déplacent de manière ordonnée dans une direction donnée. Ce mouvement directionnel des particules chargées est appelé courant électrique.
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Comment un courant électrique est créé
Si nous prenons deux conducteurs, et que l'un d'eux est chargé négativement (en lui ajoutant des électrons) et que l'autre est chargé positivement (en lui enlevant des électrons), un champ électrique apparaît. Si vous connectez les deux électrodes à un conducteur, le champ fera bouger les électrons dans la direction opposée à la direction du vecteur de force du champ électrique, selon la direction du vecteur de force électrique. Les particules chargées négativement vont se déplacer de l'électrode, où elles sont en excès, vers l'électrode, où elles sont en déficit.
Il n'est pas nécessaire de donner à la seconde électrode une charge positive pour que le mouvement des électrons se produise. L'essentiel est que la charge négative de la première électrode soit plus élevée. Il est même possible de charger négativement les deux conducteurs, mais l'un d'eux doit avoir une charge supérieure à l'autre. Dans ce cas, on dit qu'une différence de potentiel provoque un courant électrique.
Comme pour l'analogie de l'eau, si vous connectez deux récipients remplis d'eau à des niveaux différents, il y aura un écoulement d'eau. Sa tête dépendra de la différence de niveau.
Il est intéressant de constater que le mouvement chaotique des électrons sous l'action du champ électrique est en général conservé, mais que le vecteur de mouvement global de la masse des porteurs de charge acquiert un caractère directionnel. Alors que la composante "chaotique" du mouvement a une vitesse de plusieurs dizaines, voire centaines de kilomètres par seconde, la composante directionnelle a une vitesse de quelques millimètres par minute. Mais l'impact (lorsque les électrons se mettent en mouvement sur toute la longueur du conducteur) se propage à la vitesse de la lumière. On dit donc qu'un courant électrique se déplace à la vitesse de 3*108 m/sec.
Dans l'expérience ci-dessus, le courant dans le conducteur existera pendant une courte période, jusqu'à ce que le conducteur chargé négativement manque d'électrons en excès et équilibre le nombre d'électrons aux deux pôles. Ce temps est court - une infime fraction de seconde.
Le retour vers l'électrode initialement chargée négativement et la création d'une charge excédentaire pour les porteurs sont empêchés par le même champ électrique qui a déplacé les électrons du moins vers le plus. Par conséquent, il doit y avoir une force externe agissant contre et supérieure à celle du champ électrique. Dans l'analogie de l'eau, il doit y avoir une pompe qui remonte l'eau au niveau supérieur pour créer un flux continu d'eau.
Direction du courant
Le sens du courant est considéré comme allant du plus au moins, c'est-à-dire que la direction des particules chargées positivement est opposée à celle des électrons. Cela est dû au fait que le phénomène du courant électrique a été découvert bien avant que sa nature ne soit expliquée, et que l'on croyait que le courant circulait dans cette direction. À cette époque, de nombreux articles et autres documents sur le sujet s'étaient accumulés et des concepts, définitions et lois avaient vu le jour. Pour éviter de passer en revue l'immense quantité de matériel déjà publié, nous avons simplement pris le sens du courant contre le flux d'électrons.
Si un courant circule toujours dans la même direction (même si son intensité varie), il est appelé courant constant. Si sa direction change, on parle de courant alternatif. Dans l'application pratique, la direction change selon une loi, par exemple une loi sinusoïdale. Si le sens de circulation du courant reste inchangé, mais que le courant tombe périodiquement à zéro et remonte à sa valeur maximale, il s'agit d'un courant pulsé (de formes diverses).
Conditions préalables au maintien du courant électrique dans un circuit
Les trois conditions d'existence d'un courant électrique dans un circuit fermé ont été déduites ci-dessus. Ils doivent être examinés en détail.
Transporteurs de charges gratuites
La première condition nécessaire à l'existence d'un courant électrique est l'existence de porteurs de charge libres. Les charges n'existent pas séparément de leurs porteurs, nous devons donc considérer les particules qui peuvent porter une charge.
Dans les métaux et autres substances ayant un type de conductivité similaire (graphite, etc.), ce sont des électrons libres. Ils interagissent faiblement avec le noyau et peuvent quitter l'atome et se déplacer relativement librement dans le conducteur.
De même, les électrons libres servent de porteurs de charge dans les semi-conducteurs, mais dans certains cas, on parle de conductivité par "trou" dans cette catégorie de solides (par opposition à "électron"). Ce concept n'est nécessaire que pour décrire des processus physiques ; en fait, le courant dans les semi-conducteurs est toujours le même mouvement d'électrons. Les matériaux dans lesquels les électrons ne peuvent pas quitter l'atome sont les suivants diélectriques. Aucun courant n'y est généré.
Dans les liquides, les ions positifs et négatifs portent une charge. Cela signifie des liquides, qui sont des électrolytes. Par exemple, l'eau dans laquelle le sel est dissous. L'eau elle-même est électriquement assez neutre, mais lorsqu'elle y pénètre, les solides et les liquides se dissolvent et se dissocient (se désintègrent) pour former des ions positifs et négatifs. Et dans les métaux fondus (par exemple le mercure), ce sont les mêmes électrons qui sont les porteurs de charge.
Les gaz sont fondamentalement diélectriques. Ils ne contiennent pas d'électrons libres - les gaz sont constitués d'atomes et de molécules neutres. Mais si le gaz est ionisé, un quatrième état global de la matière est dit plasma. Le courant électrique peut également y circuler ; il résulte du mouvement directionnel des électrons et des ions.
Le courant peut également circuler dans le vide (c'est le principe sur lequel sont basés, par exemple, les tubes électroniques). Cela nécessite des électrons ou des ions.
Champ électrique
Malgré la présence de porteurs de charges libres, la plupart des environnements sont électriquement neutres. En effet, les particules négatives (électrons) et positives (protons) sont régulièrement espacées et leurs champs s'annulent mutuellement. Pour qu'un champ se forme, les charges doivent se concentrer dans une zone. Si les électrons sont concentrés dans la zone d'une électrode (négative), l'électrode opposée (positive) en manquera et un champ apparaîtra, créant une force qui agit sur les porteurs de charge et les oblige à se déplacer.
Une troisième force pour transférer les charges
Et la troisième condition - il doit y avoir une force qui transfère les charges dans la direction opposée à la direction du champ électrostatique, sinon, les charges à l'intérieur du système fermé vont rapidement s'équilibrer. Cette force extérieure est appelée la force électromotrice. Son origine peut être différente.
De nature électrochimique
Dans ce cas, les CEM résultent de réactions électrochimiques. Les réactions peuvent être irréversibles. La batterie bien connue est un exemple de cellule galvanique. Lorsque les réactifs sont épuisés, le champ électromagnétique est réduit à zéro et la batterie s'éteint.
Dans d'autres cas, les réactions peuvent être réversibles. Par exemple, dans une batterie, les CEM résultent également des réactions électrochimiques. Mais lorsqu'elles sont terminées, le processus peut être repris - sous l'influence d'un courant électrique externe, les réactions s'inversent et la batterie est prête à fournir à nouveau du courant.
Le photovoltaïque dans la nature
Dans ce cas, les CEM sont causés par l'influence du rayonnement visible, ultraviolet ou infrarouge sur les processus dans les structures semi-conductrices. De telles forces se produisent dans les cellules photovoltaïques ("cellules solaires"). La lumière fait circuler un courant électrique dans un circuit externe.
Nature thermoélectrique
Si vous prenez deux conducteurs dissemblables, que vous les soudez ensemble et que vous chauffez la jonction, une force électromotrice apparaît dans le circuit en raison de la différence de température entre la jonction chaude (la jonction des conducteurs) et la jonction froide (les extrémités opposées des conducteurs). De cette façon, vous pouvez non seulement générer du courant mais aussi mesurer la température en mesurant le champ électromagnétique qui en résulte.
Nature piézoélectrique
Se produit lorsque certains solides sont pressés ou déformés. Le briquet électrique fonctionne sur ce principe.
Nature électromagnétique
La façon la plus courante de produire de l'électricité de manière industrielle est d'utiliser un générateur de courant continu ou alternatif. Dans une machine à courant continu, une armature en forme de cadre tourne dans un champ magnétique, en croisant ses lignes de force. Cela produit une force électromotrice qui dépend de la vitesse du rotor et du flux magnétique. Dans la pratique, on utilise une armature constituée d'un grand nombre de bobines, formant plusieurs cadres connectés en série. Les champs électromagnétiques qui en résultent sont additionnés.
В alternateur le même principe est utilisé, mais un aimant (électrique ou permanent) tourne à l'intérieur d'un cadre stationnaire. Ces mêmes processus entraînent également une CEM dans le stator. CEMqui a une forme sinusoïdale. La production de courant alternatif est presque toujours utilisée de manière industrielle - il est plus facile de la convertir pour le transport et à des fins pratiques.
Une propriété intéressante d'un alternateur est qu'il est réversible. Si une tension est appliquée aux bornes de l'alternateur depuis une source externe, son rotor commence à tourner. Cela signifie qu'en fonction du schéma de connexion, une machine électrique peut être soit un générateur, soit un moteur électrique.
Ce ne sont là que les concepts de base du phénomène du courant électrique. En réalité, les processus impliqués dans le mouvement directionnel des électrons sont beaucoup plus complexes. Leur compréhension nécessiterait une étude plus approfondie de l'électrodynamique.
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