Qu'est-ce que la charge électrique et le courant électrique ?
Toute la matière contient de minuscules particules chargées. Dans un fil métallique, certains électrons sont libres de se déplacer. Quand ils se déplacent tous dans le même sens, une charge circule. Le courant électrique est la quantité de charge qui traverse un point chaque seconde :
I = Q / t
La charge Q se mesure en coulombs (C), le temps t en secondes et le courant I en ampères (A). Donc 1 ampère signifie 1 coulomb de charge qui passe chaque seconde. Un coulomb correspond à la charge d'environ 6.25 × 1018 électrons, et un électron porte 1.6 × 10−19 C. Les petits courants s'écrivent en milliampères (1 mA = 10−3 A) ou en microampères (1 µA = 10−6 A).
Sens du courant électrique
Les scientifiques ont choisi un sens du courant avant la découverte des électrons. Ils ont retenu le sens de déplacement d'une charge positive : de la borne positive vers la borne négative, à l'extérieur de la pile. C'est le sens conventionnel du courant. Les électrons sont négatifs, donc ils se déplacent en réalité dans l'autre sens, de − vers +. Dans tous les schémas de circuit, on représente le sens conventionnel.
Circuit électrique et ampèremètre
Un circuit électrique est un chemin fermé, sans coupure, pour la charge. Si l'interrupteur est ouvert ou si un fil est cassé, le circuit est ouvert et aucun courant ne circule nulle part.
Le courant se mesure avec un ampèremètre. Il se branche toujours en série, pour que le même courant le traverse. Un ampèremètre a une très faible résistance, donc il modifie à peine le courant qu'il mesure. Sa borne + se place du côté du + de la pile.
Qu'est-ce que la tension (différence de potentiel) ?
La charge ne circule pas toute seule. Il lui faut une poussée, comme l'eau a besoin d'une différence de hauteur pour descendre dans un tuyau. Une pile fournit un travail chimique pour maintenir une borne à un potentiel électrique plus élevé que l'autre. La différence de potentiel (d.d.p.), ou tension, entre deux points est le travail nécessaire pour déplacer une unité de charge d'un point à l'autre :
V = W / Q
Son unité SI est le volt (V) : 1 volt = 1 joule par coulomb. Donc si un travail de 1 J déplace 1 C de charge entre deux points, la tension est de 1 V. La tension se mesure avec un voltmètre, branché en dérivation (aux bornes) du dipôle. Un voltmètre a une très grande résistance, donc il laisse passer presque aucun courant.
Symboles des schémas de circuits
Dessiner de vraies piles et de vraies ampoules prend du temps, alors on utilise des symboles normalisés :
- Pile : un trait long et fin (+) et un trait court et épais (−).
- Batterie : deux piles ou plus reliées ensemble.
- Interrupteur : ouvert (éteint) ou fermé (allumé).
- Jonction de fils : un point où les fils se rejoignent ; des fils qui se croisent sans se joindre n'ont pas de point.
- Ampoule : un cercle avec une croix ou une boucle à l'intérieur.
- Résistance : un petit rectangle ou un zigzag.
- Résistance variable (rhéostat) : une résistance traversée par une flèche.
- Ampèremètre : un cercle avec un A, voltmètre : un cercle avec un V.
À l'examen, on te demande souvent de dessiner un circuit avec une pile, un interrupteur, une résistance, un ampèremètre en série et un voltmètre aux bornes de la résistance. Entraîne-toi à le dessiner proprement avec des traits droits.
Formules et définitions clés
- I = Q / t (courant = charge ÷ temps)
- Q = n × e, où e = 1.6 × 10⁻¹⁹ C
- V = W / Q (tension = travail ÷ charge)
- 1 A = 1 C/s ; 1 V = 1 J/C ; 1 mA = 10⁻³ A ; 1 µA = 10⁻⁶ A
Exemples résolus
1. Une charge de 30 C traverse une ampoule en 1 minute. Calcule le courant.
t = 60 s. I = Q / t = 30 / 60 = 0.5 A.
2. Un courant de 2 A circule pendant 5 minutes. Quelle charge a circulé ?
t = 5 × 60 = 300 s. Q = I × t = 2 × 300 = 600 C.
3. Quel travail faut-il pour déplacer une charge de 4 C sous une tension de 12 V ?
W = V × Q = 12 × 4 = 48 J.
4. Combien d'électrons faut-il pour obtenir une charge de 1 C ?
n = Q / e = 1 / (1.6 × 10⁻¹⁹) = 6.25 × 10¹⁸ électrons.
5. Un courant de 0.4 A circule dans un fil. Combien d'électrons passent en un point du fil en 2 secondes ?
Q = I × t = 0.4 × 2 = 0.8 C. n = Q / e = 0.8 / (1.6 × 10⁻¹⁹) = 5 × 10¹⁸ électrons.
6. Une batterie fournit 360 J de travail pendant 2 minutes dans un circuit sous une tension de 3 V. Calcule la charge et le courant.
Q = W / V = 360 / 3 = 120 C. t = 120 s, donc I = Q / t = 120 / 120 = 1 A.
Erreurs fréquentes
- Oublier de convertir les minutes en secondes avant d'utiliser I = Q / t.
- Brancher le voltmètre en série ou l'ampèremètre en dérivation. Ampèremètre : série. Voltmètre : dérivation.
- Dire que le courant va de − vers + dans les schémas. Le sens conventionnel va de + vers − ; seuls les électrons se déplacent de − vers +.
- Croire que le courant est "consommé" par l'ampoule. Le même courant entre et sort de l'ampoule ; c'est l'énergie que l'ampoule utilise.