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Théorie de l'électromagnétisme

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Théorie de l'électromagnétisme


*Savoirs fondamentaux du chapitre (Arrêté du 21 septembre 2000)*
Conductivité : Conducteur, semi-conducteur et isolant Courant, tension et résistance Les unités : l'ampère, le volt et l'ohm La loi d'Ohm ( $U=R\times I$ ) Puissance électrique ( $P=U\times I$ ) L'unité : le watt Énergie électrique ( $E=P\times t$ ) La capacité d'une batterie (ampère.heure).

La réglementation connue, attachons-nous maintenant au cœur de l'activité scientifique du radioamateur. Nous commençons par expliquer la nature de l'électricité et par détailler les différentes lois mathématiques s'y référant.

Structure atomique de la matière

Une roche peut s'effriter en petits grains lorsqu'on la lime. Jusqu'où peut-on « effriter », décomposer à nouveau ces petits grains pour obtenir des corps de plus en plus petits ? Cette question a longtemps taraudé les scientifiques de toutes époques et déjà au V^e siècle avant J.-C., les philosophes grecs présocratiques développèrent le concept de l'atome^[1], la particule la plus élémentaire d'après eux.

De nos jours, les connaissances progressant, on sait que l'atome est un amas organisé de particules encore plus petites. Il est constitué :

au centre, d'un noyau. Ce noyau est composé de neutrons (particules ne portant aucune charge électrique) et de protons (particules portant une charge positive) ;
autour, d'un « nuage » composé d'électrons (particules portant une charge négative).

Les atomes recherchent la stabilité, c'est-à-dire la neutralité de leur charge électrique totale^[2]. Ainsi, un atome est constitué de telle sorte que les charges positives des protons du noyau compensent exactement les charges électriques négatives du nuage électronique.

Qu'est-ce que l'électricité ?

L'électricité est nom général, désignant un déplacement de particules chargées électriquement dans un matériau conducteur^[3]. La conductivité électrique s'explique différemment selon les milieux :

dans un matériau conducteur (tel que les métaux : cuivre, argent, etc), les électrons se détachent des atomes et, mis en mouvement, transportent des charges. On parle d'électrons libres ;
dans un matériau semi-conducteur (tel que le silicium), certains atomes ont un déficit d'électrons^[4]. Pour combler ce manque^[5], des électrons se séparent des autres atomes et transportent donc des charges ;
dans un matériau isolant (ou diélectrique) comme le plastique, il n'y a pas d'électrons libres : le courant électrique ne peut pas passer.

La quantité de charges localisée en un point se nomme le potentiel et se mesure en coulombs (symbole C).

Mesurer l'électricité : courant et tension

Nous allons distinguer deux grandeurs dans la mesure de l'électricité : le courant et la tension. Comme vous allez le constater, ces deux mesurandes sont très différentes l'un de l'autre.


Définition
Le courant (ou intensité) électrique (mesuré en ampères, symbole A) désigne la quantité de charges électriques qui passent dans le conducteur chaque seconde. L'intensité est donc donnée en un point. La tension électrique (mesurée en volts, symbole V) désigne la différence de quantité de charges électriques entre deux points du circuit : c'est donc une différence de potentiel. La tension est donc donnée entre deux points. On note souvent le courant $I$ et la tension $U$ ou $V$ .

Une analogie souvent effectuée consiste à comparer la conduction électrique à l'écoulement d'un fleuve^[6]. L'intensité du fleuve est son débit, alors que la tension est comparée à une différence d'altitude entre deux points du cours d'eau.

Résistance électrique et loi d'Ohm

Dans un matériau conducteur, les charges électriques sont transportées par les électrons. Mais ceux-ci sont « freinés » par les atomes du milieu ; ce freinage se traduit par une perte d'énergie sous forme de chaleur : on parle d'effet Joule.

Le freinage se nomme résistance (symbole $R$ ) et se mesure en ohms (symbole $\Omega$ ). La tension, la résistance et l'intensité sont reliées par la loi d'Ohm : $U=R\times I$ .

Puissance et énergie électrique

À quelle grandeur s'intéresser lorsqu'on souhaite caractériser la « force » convoyée par l'électricité : la tension ou l'intensité ? Aux deux !


Définition
La puissance électrique désigne la quantité d'énergie reçue chaque seconde. Elle se calcule par : $P=U\times I$ et se mesure en watts (symbole W).

Quelle est la puissance dissipée par effet Joule dans une résistance ? On sait que $P=U\times I$ et d'après la loi d'Ohm, $U=R\times I$ donc $P=R\times I^{2}$ .

La puissance est une quantité d'énergie par seconde. Ainsi, pour obtenir la quantité d'énergie reçue pendant une durée $t$ , on multiplie la puissance par cette durée. On en déduit l'expression de l'énergie électrique (en joules) : $E=P\times t$ .


Exemple :
Une résistance de 15 Ω est alimentée sous 12 V et 0,5 A. Quelle est la puissance dissipée par effet Joule ? La puissance de l'effet Joule est $P=RI^{2}$ d'où $P=3,75W$ . Quelle est l'énergie dissipée en 2 heures ? 2 heures valent $2\times 60\times 60=7200$ secondes, et $E=P\times t=3,75\times 7200=27000$ J.

Capacité d'une batterie

La capacité d'une batterie est donnée en ampère-heure (symbole Ah) ; une batterie d'1 Ah est une capable de débiter 1 A pendant 1 heure. De la même façon, une batterie de 60 Ah peut débiter 60 A pendant 1 heure, ou bien encore 30 A pendant 2 heures.

La capacité peut également s'évaluer en nombre de charges électriques, qui se mesure en coulombs (symbole C). L'ampère étant un nombre de charges par seconde, pour trouver le nombre de charges, on multiplie l'ampérage par la durée de l'expérience : $Q_{\text{coulombs}}=I_{\text{ampères}}\times t_{\text{secondes}}$ .


Exemple : Quantité d'électricité
On considère une pile de 9 V qui débite un courant de 2 A dans une résistance pendant 60 secondes. Quelle quantité d'électricité a été délivrée ? On applique la formule $Q=I\times t$ : $Q=2\times 60=120$ C. Une pile débite un courant de 500 mA dans une résistance de 150 Ω pendant 20 secondes. Quelle quantité d'électricité a été délivrée ? On applique la formule $Q=I\times t$ ; l'indication de la résistance est inutile. 500 mA = 0,5 A donc $Q=0,5\times 20=10$ C.

Notes

↑ Du grec ἄτομος, « qui ne peut être divisé »
↑ C'est-à-dire que la charge électrique totale d'un atome stable est nulle.
↑ C'est-à-dire qui laisse passer le courant électrique.
↑ Ils sont donc de charge positive.
↑ Et donc retrouver la neutralité électrique.
↑ Cette analogie est plus ou moins valable, mais elle est un excellent moyen pédagogique.

[1] Du grec ἄτομος, « qui ne peut être divisé »

[2] C'est-à-dire que la charge électrique totale d'un atome stable est nulle.

[3] C'est-à-dire qui laisse passer le courant électrique.

[4] Ils sont donc de charge positive.

[5] Et donc retrouver la neutralité électrique.

[6] Cette analogie est plus ou moins valable, mais elle est un excellent moyen pédagogique.

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