La direction du courant dans un conducteur, comment, où et où le courant électrique circule. Qu’est-ce que le courant électrique ? Qu'est-ce que le courant électrique et comment l'obtenir

Il s'agit du mouvement ordonné de certaines particules chargées. Afin d'utiliser avec compétence tout le potentiel de l'électricité, il est nécessaire de comprendre clairement tous les principes de la structure et du fonctionnement du courant électrique. Voyons donc ce que sont le travail et la puissance actuelle.

D’où vient le courant électrique ?

Malgré l’apparente simplicité de la question, rares sont ceux qui sont capables d’y répondre de manière intelligible. Bien sûr, de nos jours, alors que la technologie évolue à une vitesse incroyable, les gens ne pensent pas beaucoup à des choses aussi fondamentales que le principe de fonctionnement du courant électrique. D'où vient l'électricité ? Beaucoup répondront sûrement : « Eh bien, hors de la prise, bien sûr », ou hausseront simplement les épaules. En attendant, il est très important de comprendre comment fonctionne le courant. Cela doit être connu non seulement des scientifiques, mais aussi des personnes qui n'ont aucun lien avec le monde scientifique, en raison de leur développement globalement diversifié. Mais tout le monde ne peut pas utiliser avec compétence le principe de fonctionnement du courant.

Donc, vous devez d’abord comprendre que l’électricité ne vient pas de nulle part : elle est produite par des générateurs spéciaux situés dans diverses centrales électriques. Grâce à la rotation des aubes de turbine, la vapeur produite en chauffant de l'eau avec du charbon ou du pétrole produit de l'énergie, qui est ensuite transformée en électricité à l'aide d'un générateur. La conception du générateur est très simple : au centre de l'appareil se trouve un aimant énorme et très puissant, qui force les charges électriques à se déplacer le long des fils de cuivre.

Comment le courant électrique arrive-t-il dans nos maisons ?

Une fois qu’une certaine quantité de courant électrique a été générée à partir d’énergie (thermique ou nucléaire), elle peut être fournie aux personnes. Cet approvisionnement en électricité fonctionne de la manière suivante : pour que l’électricité puisse atteindre tous les appartements et tous les commerces, elle doit être « poussée ». Et pour cela, vous devrez augmenter la force qui fera cela. C'est ce qu'on appelle la tension du courant électrique. Le principe de fonctionnement est le suivant : le courant traverse un transformateur, ce qui augmente sa tension. Ensuite, le courant électrique circule dans des câbles installés en profondeur ou en hauteur (car la tension atteint parfois 10 000 Volts, ce qui est mortel pour l'homme). Lorsque le courant atteint sa destination, il doit à nouveau traverser le transformateur, qui va désormais réduire sa tension. Il se déplace ensuite le long des câbles jusqu'aux tableaux installés dans les immeubles d'habitation ou d'autres bâtiments.

L'électricité transportée par les fils peut être utilisée grâce à un système de prises, y reliant les appareils électroménagers. Il y a des fils supplémentaires dans les murs à travers lesquels circule le courant électrique, et c'est grâce à cela que fonctionnent l'éclairage et tous les équipements de la maison.

Quel est le travail actuel ?

L'énergie véhiculée par un courant électrique est convertie au fil du temps en lumière ou en chaleur. Par exemple, lorsque nous allumons une lampe, la forme électrique de l’énergie se transforme en lumière.

Pour le dire en termes simples, le travail du courant est l’action que l’électricité elle-même produit. De plus, il peut être très facilement calculé à l'aide de la formule. Sur la base de la loi de conservation de l'énergie, nous pouvons conclure que l'énergie électrique n'a pas été perdue, elle a été totalement ou partiellement transférée sous une autre forme, dégageant une certaine quantité de chaleur. Cette chaleur est le travail effectué par le courant lorsqu'il traverse le conducteur et le chauffe (un échange thermique se produit). Voici à quoi ressemble la formule Joule-Lenz : A = Q = U*I*t (le travail est égal à la quantité de chaleur ou au produit de la puissance actuelle et du temps pendant lequel elle circule dans le conducteur).

Que signifie courant continu ?

Le courant électrique est de deux types : alternatif et continu. Ils diffèrent en ce que ce dernier ne change pas de direction, il dispose de deux pinces (positif « + » et négatif « - ») et commence toujours son mouvement par « + ». Et le courant alternatif a deux bornes : phase et zéro. C'est précisément à cause de la présence d'une phase à l'extrémité du conducteur qu'on l'appelle aussi monophasé.

Les principes de conception du courant électrique alternatif et continu monophasé sont complètement différents : contrairement au courant constant, le courant alternatif change à la fois de direction (formant un flux à la fois de phase vers zéro et de zéro vers phase) et d'amplitude. Par exemple, le courant alternatif modifie périodiquement la valeur de sa charge. Il s'avère qu'à une fréquence de 50 Hz (50 vibrations par seconde), les électrons changent la direction de leur mouvement exactement 100 fois.

Où le DC est-il utilisé ?

Le courant électrique continu présente certaines caractéristiques. Du fait qu'il circule strictement dans un seul sens, il est plus difficile de le transformer. Les éléments suivants peuvent être considérés comme des sources DC :

piles (alcalines et acides);
piles ordinaires utilisées dans les petits appareils ;
ainsi que divers appareils tels que des convertisseurs.

Fonctionnement CC

Quelles sont ses principales caractéristiques ? Il s’agit du travail et du pouvoir actuel, et ces deux concepts sont très étroitement liés l’un à l’autre. La puissance fait référence à la vitesse de travail par unité de temps (par 1 s). Selon la loi de Joule-Lenz, on constate que le travail effectué par un courant électrique continu est égal au produit de l'intensité du courant lui-même, de la tension et du temps pendant lequel le travail du champ électrique a été effectué pour transférer les charges. le long du conducteur.

Voici la formule pour trouver le travail du courant, en tenant compte de la loi d'Ohm sur la résistance des conducteurs : A = I 2 *R*t (le travail est égal au carré du courant multiplié par la valeur de la résistance du conducteur et encore une fois multiplié par le temps pendant lequel le travail a été effectué).

Beaucoup doivent avoir entendu dire que le courant électrique peut être différent (continu, alternatif). Ceux qui ne connaissent pas particulièrement le thème de l'électricité et de l'électronique peuvent parfois se perdre dans les types de courant lorsqu'ils fournissent de l'énergie électrique à tel ou tel équipement électrique. Certains appareils nécessitent une tension continue (courant), tandis que d'autres sont alimentés uniquement par une tension alternative. Ces types de courant étant fondamentalement différents, une erreur d'alimentation électrique peut entraîner un non-fonctionnement (au mieux) et dans le pire des cas, simplement endommager l'équipement électrique.

Alors laissez-moi vous rappeler que le courant électrique est le mouvement ordonné de particules chargées électriquement (électrons) le long d’un conducteur. Autrement dit, il s'agit d'un mouvement simple et unidirectionnel de très petites particules (à une vitesse énorme) à l'intérieur de conducteurs électriques (dans la plupart des cas, des métaux - cuivre, aluminium, argent, or et divers alliages qui conduisent bien le courant).

Le mouvement lui-même se produit en raison de l'apparition d'une certaine différence de potentiels électriques, appelée tension. Une source électrique a deux pôles, positif (où est concentrée une charge positive d’une certaine ampleur) et négatif (où est concentrée une charge négative). S’il n’y a pas de circuit fermé entre les pôles, alors il n’y a que de la tension (la tendance des charges à se déplacer vers le pôle opposé). Dès que le circuit est fermé, un chemin apparaît pour le passage des charges sous la forme d'un conducteur électrique, les charges se mettent rapidement en mouvement, ce qui crée leur COURANT dans le conducteur.

Il existe deux principaux types de courant électrique : continu et alternatif (pulsé, il s'agit d'un cas partiel d'alternance). Le courant continu n’est rien d’autre qu’un simple mouvement unidirectionnel de charges électriques dans une direction. D'un pôle à l'autre sans changer de direction dans le temps. En fait, dans les solides (conducteurs), le courant électrique circule du moins vers le plus (les charges négatives et les électrons se déplacent). Dans les milieux liquides et gazeux, le courant continu va au contraire du plus au moins (mouvement des ions, particules chargées positivement). Dans le domaine théorique, il était généralement admis que le courant électrique continu circule toujours du plus au moins (lorsque l'on travaille avec des schémas de circuits électriques).

Le courant continu a une valeur constante de sa tension (généralement les valeurs les plus utilisées sont 3, 5, 6, 9, 12, 24 volts). Pendant le fonctionnement, sa valeur peut varier de quelques pour cent seulement, en raison d'une chute de tension lors du fonctionnement dynamique de la charge elle-même (par exemple, un moteur électrique permanent, qui peut avoir une charge mécanique flottante sur son arbre, etc.). Pour une tension constante (plus précisément les circuits électriques qui fonctionnent avec un type de courant constant), il est important de rester inchangé. Si le circuit est conçu pour une tension constante de 12 volts, alors strictement 12 volts doivent lui être fournis avec un léger écart de quelques pour cent. Pour garantir cela, diverses solutions sont utilisées, en commençant par des pièces et composants électriques correctement sélectionnés, et en terminant par toutes sortes de circuits électriques et électroniques de divers stabilisateurs, filtres, etc.

Le courant continu présente à la fois des avantages et des inconvénients. Sinon, seul ce type de courant électrique serait utilisé ! Presque tous les circuits électroniques nécessitent une alimentation CC. Le principe même de fonctionnement et de fonctionnement des éléments électroniques repose sur ce type de courant. De plus, les batteries électriques ne peuvent fonctionner qu’avec du courant continu, etc. Le principal inconvénient de ce type de courant électrique est une mauvaise transmission de l'électricité sur de longues distances (des pertes importantes se produisent). De plus, des appareils électriques plus complexes sont nécessaires pour le convertir.

Le courant électrique alternatif est un mouvement ordonné et variable (sinusoïdal) de charges électriques le long d'un conducteur, qui change périodiquement de pôles. La fréquence alternative la plus courante est de 50 Hertz. Autrement dit, en une seconde, la direction du courant dans un circuit électrique change du plus au moins et vice versa jusqu'à 50 fois. Bien que cela soit également considéré comme une basse fréquence. Le courant alternatif peut être monophasé (2 fils sont utilisés et la tension entre eux est de 220 volts) ou triphasé (des fils triphasés sont utilisés, la tension entre deux d'entre eux est de 380 volts et un est nul).

Le courant alternatif est facilement converti et transmis sur de longues distances avec des pertes minimes sur la ligne électrique elle-même. Les valeurs de tension alternative les plus utilisées à partir desquelles sont alimentés certains appareils électriques sont 220 volts (tension pour l'usage domestique de la population) et 380 volts (pour un usage industriel, où 3 phases sont importantes). Afin d'obtenir une autre valeur à partir d'une valeur de courant ou de tension, un seul appareil est généralement utilisé, appelé transformateur de puissance. Certaines valeurs de tension ou de courant sont fournies à son entrée, et d'autres, supérieures ou inférieures, sont reçues en sortie.

P.S. Un cas particulier de courant électrique alternatif peut être considéré comme un courant pulsé, qui peut avoir une forme différente de la sinusoïdale habituelle. Ce type de courant électrique est généralement utilisé dans diverses technologies numériques et dans le domaine de l'électronique.

Il est impossible d’imaginer la vie d’une personne moderne sans électricité. Volts, ampères, watts - ces mots sont entendus lorsqu'on parle d'appareils fonctionnant à l'électricité. Mais qu’est-ce que le courant électrique et quelles sont les conditions de son existence ? Nous en reparlerons plus loin, en fournissant une brève explication aux électriciens débutants.

Définition

Le courant électrique est le mouvement dirigé des porteurs de charge - il s'agit d'une formulation standard tirée d'un manuel de physique. À leur tour, les porteurs de charge sont appelés certaines particules de matière. Ils peuvent être:

Les électrons sont porteurs de charges négatives.
Les ions sont des porteurs de charges positives.

Mais d’où viennent les porteurs de charge ? Pour répondre à cette question, vous devez vous rappeler des connaissances de base sur la structure de la matière. Tout ce qui nous entoure est matière ; il est constitué de molécules, de ses plus petites particules. Les molécules sont constituées d'atomes. Un atome est constitué d’un noyau autour duquel les électrons se déplacent sur des orbites données. Les molécules se déplacent également de manière aléatoire. Le mouvement et la structure de chacune de ces particules dépendent de la substance elle-même et de l'influence de l'environnement sur elle, comme la température, le stress, etc.

Un ion est un atome dont le rapport électrons/protons a changé. Si l'atome est initialement neutre, alors les ions, à leur tour, sont divisés en :

L'anion est un ion positif d'un atome qui a perdu des électrons.
Les cations sont un atome avec des électrons « supplémentaires » attachés à l’atome.

L'unité de mesure du courant est l'Ampère, selon laquelle il est calculé à l'aide de la formule :

où U est la tension, [V] et R est la résistance, [Ohm].

Soit directement proportionnel au montant de charge transféré par unité de temps :

où Q – charge, [C], t – temps, [s].

Conditions d'existence du courant électrique

Nous avons compris ce qu'est le courant électrique, parlons maintenant de la façon d'assurer sa circulation. Pour que le courant électrique circule, deux conditions doivent être remplies :

Présence de transporteurs gratuits.
Champ électrique.

La première condition d'existence et de circulation de l'électricité dépend de la substance dans laquelle le courant circule (ou ne circule pas), ainsi que de son état. La deuxième condition est également réalisable : pour l'existence d'un champ électrique, la présence de différents potentiels est requise, entre lesquels se trouve un milieu dans lequel circuleront des porteurs de charge.

Rappelons-nous : La tension, EMF est la différence de potentiel. Il s'ensuit que pour remplir les conditions d'existence du courant - la présence d'un champ électrique et d'un courant électrique, une tension est nécessaire. Il peut s'agir des plaques d'un condensateur chargé, d'un élément galvanique ou d'une CEM générée sous l'influence d'un champ magnétique (générateur).

Nous avons compris comment cela se produit, parlons de l'endroit où cela se dirige. Le courant, principalement dans notre usage habituel, se déplace dans des conducteurs (câblage électrique dans un appartement, ampoules à incandescence) ou dans des semi-conducteurs (LED, processeur de votre smartphone et autres appareils électroniques), moins souvent dans des gaz (lampes fluorescentes).

Ainsi, les principaux porteurs de charge sont dans la plupart des cas des électrons, ils se déplacent du moins (un point avec un potentiel négatif) vers un plus (un point avec un potentiel positif, vous en apprendrez plus à ce sujet ci-dessous).

Mais un fait intéressant est que la direction du mouvement du courant a été considérée comme étant le mouvement des charges positives - du plus au moins. Même si en fait tout se passe dans l'autre sens. Le fait est que la décision sur la direction du courant a été prise avant d’étudier sa nature, et aussi avant de déterminer comment le courant circule et existe.

Courant électrique dans différents environnements

Nous avons déjà mentionné que dans différents environnements, le courant électrique peut différer selon le type de porteurs de charge. Les milieux peuvent être divisés selon la nature de leur conductivité (par ordre décroissant de conductivité) :

Conducteur (métaux).
Semi-conducteur (silicium, germanium, arséniure de gallium, etc.).
Diélectrique (vide, air, eau distillée).

Dans les métaux

Les métaux contiennent des porteurs de charge gratuits, ils sont parfois appelés « gaz électrique ». D'où viennent les transporteurs gratuits ? Le fait est que le métal, comme toute substance, est constitué d'atomes. Les atomes bougent ou vibrent d’une manière ou d’une autre. Plus la température du métal est élevée, plus ce mouvement est fort. Dans le même temps, les atomes eux-mêmes restent généralement à leur place, formant ainsi la structure du métal.

Dans les couches électroniques d’un atome se trouvent généralement plusieurs électrons dont la connexion avec le noyau est plutôt faible. Sous l'influence des températures, des réactions chimiques et de l'interaction des impuretés présentes dans le métal, les électrons sont arrachés à leurs atomes et des ions chargés positivement se forment. Les électrons détachés sont dits libres et se déplacent de manière chaotique.

S’ils sont affectés par un champ électrique, par exemple si vous connectez une batterie à un morceau de métal, le mouvement chaotique des électrons deviendra ordonné. Les électrons d'un point auquel un potentiel négatif est connecté (la cathode d'une cellule galvanique, par exemple) commenceront à se déplacer vers un point à potentiel positif.

Dans les semi-conducteurs

Les semi-conducteurs sont des matériaux dans lesquels, à l’état normal, il n’y a pas de porteurs de charge libres. Ils se trouvent dans la zone dite interdite. Mais si des forces externes sont appliquées, telles qu'un champ électrique, de la chaleur, divers rayonnements (lumière, rayonnement, etc.), elles surmontent la bande interdite et se déplacent dans la zone libre ou bande de conduction. Les électrons se détachent de leurs atomes et deviennent libres, formant des ions – porteurs de charge positive.

Les porteurs positifs dans les semi-conducteurs sont appelés trous.

Si vous transférez simplement de l'énergie à un semi-conducteur, par exemple en le chauffant, un mouvement chaotique des porteurs de charge commencera. Mais si nous parlons d'éléments semi-conducteurs, tels qu'une diode ou un transistor, une CEM apparaîtra aux extrémités opposées du cristal (une couche métallisée leur est appliquée et les fils sont soudés), mais cela ne concerne pas le sujet de l'article d'aujourd'hui.

Si vous appliquez une source EMF à un semi-conducteur, les porteurs de charge se déplaceront également vers la bande de conduction et leur mouvement directionnel commencera également - les trous iront dans la direction avec un potentiel électrique inférieur et les électrons dans la direction avec un potentiel électrique plus élevé. .

Sous vide et sous gaz

Un vide est un milieu avec une absence totale (cas idéal) de gaz ou une quantité minimisée (en réalité) de gaz. Puisqu’il n’y a pas de matière dans le vide, il n’y a pas de place pour les porteurs de charge. Cependant, la circulation du courant dans le vide a marqué le début de l'électronique et de toute une ère d'éléments électroniques - les tubes à vide. Ils ont été utilisés dans la première moitié du siècle dernier et, dans les années 50, ils ont commencé à céder progressivement la place aux transistors (en fonction du domaine spécifique de l'électronique).

Supposons que nous ayons un récipient d'où tout le gaz a été pompé, c'est-à-dire il y a un vide complet dedans. Deux électrodes sont placées dans le récipient, appelons-les anode et cathode. Si nous connectons le potentiel négatif de la source EMF à la cathode et le potentiel positif à l’anode, rien ne se passera et aucun courant ne circulera. Mais si nous commençons à chauffer la cathode, le courant commencera à circuler. Ce processus est appelé émission thermoionique - l'émission d'électrons à partir d'une surface électronique chauffée.

La figure montre le processus de circulation du courant dans un tube à vide. Dans les tubes à vide, la cathode est chauffée par un filament voisin sur la figure (H), comme dans une lampe d'éclairage.

Dans le même temps, si vous changez la polarité de l'alimentation électrique - appliquez le moins à l'anode et appliquez le plus à la cathode - aucun courant ne circulera. Cela prouvera que le courant dans le vide circule en raison du mouvement des électrons de la CATHODE vers l’ANODE.

Le gaz, comme toute substance, est constitué de molécules et d'atomes, ce qui signifie que si le gaz est sous l'influence d'un champ électrique, alors à une certaine force (tension d'ionisation), les électrons se détacheront de l'atome, alors les deux conditions pour l'écoulement du courant électrique sera satisfait - champ et médias libres.

Comme déjà mentionné, ce processus est appelé ionisation. Cela peut se produire non seulement à cause d'une tension appliquée, mais également à cause du chauffage du gaz, du rayonnement X, sous l'influence du rayonnement ultraviolet, etc.

Le courant circulera dans l'air, même si un brûleur est installé entre les électrodes.

Le flux de courant dans les gaz inertes s'accompagne d'une luminescence du gaz, ce phénomène est activement utilisé dans les lampes fluorescentes. La circulation du courant électrique dans un milieu gazeux est appelée décharge gazeuse.

En liquide

Disons que nous avons un récipient contenant de l'eau dans lequel sont placées deux électrodes, auxquelles une source d'alimentation est connectée. Si l’eau est distillée, c’est-à-dire pure et ne contient pas d’impuretés, alors c’est un diélectrique. Mais si l’on ajoute un peu de sel, d’acide sulfurique ou toute autre substance à l’eau, un électrolyte se forme et le courant commence à le traverser.

Un électrolyte est une substance qui conduit le courant électrique en raison de sa dissociation en ions.

Si vous ajoutez du sulfate de cuivre à l'eau, une couche de cuivre se déposera sur l'une des électrodes (cathode) - c'est ce qu'on appelle l'électrolyse, qui prouve que le courant électrique dans le liquide est réalisé en raison du mouvement des ions - positifs et négatifs. porteurs de charges.

L'électrolyse est un processus physique et chimique qui implique la séparation des composants qui composent l'électrolyte sur les électrodes.

C'est ainsi que se produisent le cuivrage, la dorure et le revêtement avec d'autres métaux.

Conclusion

Pour résumer, pour que le courant électrique circule, des porteurs de charge gratuits sont nécessaires :

électrons dans les conducteurs (métaux) et dans le vide ;
électrons et trous dans les semi-conducteurs ;
ions (anions et cations) dans les liquides et les gaz.

Pour que le mouvement de ces porteurs soit ordonné, un champ électrique est nécessaire. En termes simples, appliquez une tension aux extrémités d’un corps ou installez deux électrodes dans un environnement où le courant électrique est censé circuler.

Il convient également de noter que le courant influence une substance d'une certaine manière ; il existe trois types d'influence :

thermique;
chimique;
physique.

Utile

Sujets du codificateur d'examen d'État unifié: courant électrique continu, courant, tension.

Le courant électrique apporte du confort à la vie de l’homme moderne. Les réalisations technologiques de la civilisation - énergie, transports, radio, télévision, ordinateurs, communications mobiles - reposent sur l'utilisation du courant électrique.

Le courant électrique est le mouvement dirigé de particules chargées, dans lequel la charge est transférée d'une zone de l'espace à une autre.

Le courant électrique peut se produire dans une grande variété de milieux : solides, liquides, gaz. Parfois, aucun fluide n’est nécessaire : le courant peut exister même dans le vide ! Nous en reparlerons en temps voulu, mais pour l'instant nous ne donnerons que quelques exemples.

Relions les pôles de la batterie avec un fil métallique. Les électrons libres du fil entameront un mouvement directionnel du « moins » de la batterie vers le « plus ».
Ceci est un exemple de courant dans les métaux.

Jetez une pincée de sel de table dans un verre d'eau. Les molécules de sel se dissocient en ions, de sorte que des charges libres apparaissent dans la solution : ions positifs et ions négatifs. Mettons maintenant dans l’eau deux électrodes connectées aux pôles de la batterie. Les ions commenceront à se déplacer vers l’électrode négative et les ions commenceront à se déplacer vers l’électrode positive.
Ceci est un exemple de courant traversant une solution électrolytique.

Les nuages d’orage créent des champs électriques si puissants qu’il est possible de percer un espace d’air long de plusieurs kilomètres. En conséquence, une décharge géante – la foudre – traverse l’air.
Ceci est un exemple de courant électrique dans un gaz.

Dans les trois exemples considérés, le courant électrique est provoqué par le mouvement de particules chargées à l'intérieur du corps et est appelé courant de conduction.

Voici un exemple légèrement différent. Nous déplacerons un corps chargé dans l'espace. Cette situation est conforme à la définition du courant ! Un mouvement dirigé des charges est présent, un transfert de charges dans l'espace est présent. Le courant créé par le mouvement d’un corps chargé macroscopique est appelé convection.

Notez que tous les mouvements de particules chargées ne génèrent pas de courant. Par exemple, le mouvement thermique chaotique des charges d'un conducteur n'est pas dirigé (il se produit dans n'importe quelle direction), et n'est donc pas un courant (lorsqu'un courant apparaît, les charges libres continuent d'effectuer un mouvement thermique ! C'est juste que dans ce cas , leur dérive ordonnée dans une certaine direction s'ajoute aux mouvements chaotiques des particules chargées
direction).
Il n'y aura pas non plus de courant dans le mouvement de translation d'un corps électriquement neutre : bien que les particules chargées dans ses atomes effectuent un mouvement dirigé, il n'y a pas de transfert de charge d'une zone de l'espace à une autre.

Direction du courant électrique

La direction du mouvement des particules chargées formant un courant dépend du signe de leur charge. Les particules chargées positivement se déplaceront du « plus » au « moins », et les particules chargées négativement se déplaceront, au contraire, du « moins » au « plus ». Dans les électrolytes et les gaz, par exemple, des charges libres positives et négatives sont présentes et un courant est créé par leur mouvement contraire dans les deux sens. Laquelle de ces directions doit être prise comme direction du courant électrique ?

En termes simples, par accord le courant passe du « plus » au « moins »(Fig. 1 ; la borne positive de la source de courant est représentée par une ligne longue, la borne négative par une ligne courte).

Cet accord entre en conflit avec le cas le plus courant des conducteurs métalliques. Dans un métal, les porteurs de charge sont des électrons libres, et ils passent du « moins » au « plus ». Mais par convention, nous sommes obligés de supposer que la direction du courant dans un conducteur métallique est opposée au mouvement des électrons libres. Bien entendu, ce n’est pas très pratique.

Cependant, rien ne peut être fait ici – vous devez prendre cette situation pour acquise. C’est ainsi que cela s’est passé historiquement. Le choix de la direction du courant a été proposé par Ampère (Ampère avait besoin d'un accord sur la direction du courant afin de donner une règle claire pour déterminer la direction de la force agissant sur un conducteur avec du courant dans un champ magnétique. Aujourd'hui, nous appelons cette force la force Ampère, dont la direction est déterminée par la règle de gauche) dans la première moitié du XIXe siècle, 70 ans avant la découverte de l'électron. Tout le monde s'est habitué à ce choix, et lorsqu'en 1916 il est devenu clair que le courant dans les métaux est provoqué par le mouvement d'électrons libres, rien n'a changé.

Actions du courant électrique

Comment pouvons-nous déterminer si le courant électrique circule ou non ? L'apparition du courant électrique peut être jugée par ses manifestations suivantes.

1. Effet thermique du courant. Le courant électrique provoque un échauffement de la substance dans laquelle il circule. C'est ainsi que les serpentins des radiateurs et des lampes à incandescence chauffent. C'est pourquoi nous voyons des éclairs. Le fonctionnement des ampèremètres thermiques est basé sur la dilatation thermique d'un conducteur porteur de courant, ce qui entraîne le mouvement de l'aiguille de l'instrument.

2. Effet magnétique du courant. Le courant électrique crée un champ magnétique : l'aiguille de la boussole située à côté du fil tourne perpendiculairement au fil lorsque le courant est activé. Le champ magnétique du courant peut être renforcé plusieurs fois en enroulant un fil autour d’une tige de fer pour créer un électro-aimant. Le fonctionnement des ampèremètres du système magnétoélectrique est basé sur ce principe : l'électro-aimant tourne dans le champ d'un aimant permanent, ce qui fait que l'aiguille de l'instrument se déplace le long de l'échelle.

3. Effet chimique du courant. Lorsque le courant traverse les électrolytes, un changement dans la composition chimique de la substance peut être observé. Ainsi, dans une solution, les ions positifs se déplacent vers l’électrode négative et cette électrode est recouverte de cuivre.

Le courant électrique est appelé permanent, si la même charge traverse la section transversale du conducteur à intervalles de temps égaux.

Le courant continu est le plus simple à apprendre. C'est par là que nous commençons.

Intensité et densité du courant

La caractéristique quantitative du courant électrique est force actuelle. Dans le cas du courant continu, la valeur absolue du courant est le rapport de la valeur absolue de la charge traversant la section du conducteur pendant le temps à ce temps précis :

(1)

Le courant est mesuré en ampères(UN). Avec un courant de A, une charge de C traverse la section transversale du conducteur en c.

Nous soulignons que la formule (1) détermine la valeur absolue, ou module, du courant.
La force actuelle peut aussi avoir un signe ! Ce signe n'est pas lié au signe des charges formant le courant et est choisi pour d'autres raisons. À savoir, dans un certain nombre de situations (par exemple, s'il n'est pas clair à l'avance où le courant circulera), il est pratique de fixer une certaine direction de contournement du circuit (par exemple, dans le sens inverse des aiguilles d'une montre) et de considérer l'intensité du courant comme positive si le sens du courant coïncide avec le sens de contournement, et négatif si le courant circule dans le sens contraire du sens de traversée (à comparer avec un cercle trigonométrique : les angles sont considérés comme positifs s'ils sont comptés dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, et négatifs s'ils sont comptés dans le sens des aiguilles d'une montre).

Dans le cas du courant continu, l’intensité du courant est une valeur constante. Il montre la quantité de charge qui traverse la section transversale du conducteur par seconde.

Il est souvent pratique de sauter la section transversale et de saisir la valeur la densité actuelle:

(2)

où est l'intensité du courant, est la section transversale du conducteur (bien entendu, cette section est perpendiculaire à la direction du courant). En tenant compte de la formule (1) nous avons également :

La densité de courant montre la quantité de charge qui passe par unité de temps à travers une unité de section transversale d'un conducteur. Selon la formule (2), la densité de courant est mesurée en A/m2.

Vitesse de mouvement directionnel des charges

Lorsque l’on allume la lumière dans une pièce, il nous semble que l’ampoule s’allume instantanément. La vitesse de propagation du courant dans les fils est très élevée : elle est proche du km/s (la vitesse de la lumière dans le vide). Si l’ampoule était sur la Lune, elle s’allumerait en un peu plus d’une seconde.

Cependant, il ne faut pas penser que les charges libres formant un courant se déplacent à une vitesse aussi énorme. Il s'avère que leur vitesse n'est qu'une fraction de millimètre par seconde.

Pourquoi le courant traverse-t-il les fils si rapidement ? Le fait est que les charges libres interagissent les unes avec les autres et, étant sous l'influence du champ électrique de la source de courant, lorsque le circuit est fermé, elles commencent à se déplacer presque simultanément le long de tout le conducteur. La vitesse de propagation du courant est la vitesse de transmission de l'interaction électrique entre les charges libres, et elle est proche de la vitesse de la lumière dans le vide. La vitesse à laquelle les charges elles-mêmes se déplacent à l’intérieur du conducteur peut être inférieure de plusieurs ordres de grandeur.

Alors, soulignons encore une fois que nous distinguons deux vitesses.

1. Vitesse de propagation actuelle. C'est la vitesse à laquelle un signal électrique se propage dans un circuit. Près des km/s.

2. Vitesse de déplacement directionnel des charges gratuites. C'est la vitesse moyenne de déplacement des charges formant un courant. Aussi appelé vitesse de dérive.

Nous allons maintenant dériver une formule exprimant l’intensité du courant à travers la vitesse de mouvement directionnel des charges conductrices.

Laissez le conducteur avoir une section transversale (Fig. 2). On considérera les charges libres du conducteur comme positives ; Notons l'ampleur de la charge libre (dans le cas le plus pratique d'un conducteur métallique, il s'agit de la charge d'un électron). La concentration des charges libres (c'est-à-dire leur nombre par unité de volume) est égale à .

Riz. 2. Pour dériver la formule

Quelle charge traversera la section transversale de notre conducteur au fil du temps ?

D'une part, bien sûr,

(3)

D'autre part, la section transversale sera traversée par toutes ces charges libres qui, au bout d'un moment, se retrouveront à l'intérieur d'un cylindre d'une hauteur de . Leur nombre est égal à :

Leur charge totale sera donc égale à :

(4)

En égalisant les membres droits des formules (3) et (4) et en réduisant par , on obtient :

(5)

En conséquence, la densité de courant s'avère être égale à :

A titre d'exemple, calculons la vitesse de déplacement des électrons libres dans un fil de cuivre au courant A.

La charge électronique est connue : Cl.

Quelle est la concentration d’électrons libres ? Cela coïncide avec la concentration des atomes de cuivre, puisqu'un électron de valence est retiré de chaque atome. Eh bien, nous savons comment trouver la concentration des atomes :

Mettons mm. De la formule (5) on obtient :

MS.

Cela représente environ un dixième de millimètre par seconde.

Champ électrique stationnaire

Nous parlons tout le temps du mouvement directionnel des charges, mais n'avons pas encore abordé la question de Pourquoi les charges gratuites effectuent un tel mouvement. Pourquoi le courant électrique se produit-il réellement ?

Pour le mouvement ordonné des charges à l'intérieur d'un conducteur, il faut une force qui agit sur les charges dans une certaine direction. D'où vient ce pouvoir ? Du côté du champ électrique !

Pour qu’un courant continu circule dans un conducteur, il doit exister un courant stationnaire à l’intérieur du conducteur.(c'est-à-dire constant, indépendant du temps) champ électrique. Autrement dit, une différence de potentiel constante doit être maintenue entre les extrémités du conducteur.

Un champ électrique stationnaire doit être créé par les charges des conducteurs inclus dans le circuit électrique. Cependant, les conducteurs chargés ne peuvent à eux seuls assurer la circulation du courant continu.

Prenons par exemple deux billes conductrices chargées de manière opposée. Connectons-les avec un fil. Une différence de potentiel apparaîtra entre les extrémités du fil et un champ électrique apparaîtra à l’intérieur du fil. Le courant circulera dans le fil. Mais à mesure que le courant passe, la différence de potentiel entre les billes diminuera, suivie d'une diminution de l'intensité du champ dans le fil. Finalement, les potentiels des billes deviendront égaux, le champ dans le fil deviendra nul et le courant disparaîtra. On se retrouve en électrostatique : des billes plus un fil forment un seul conducteur, en chaque point duquel le potentiel prend la même valeur ; tension
Le champ à l’intérieur du conducteur est nul, il n’y a pas de courant.

Le fait que le champ électrostatique en lui-même ne soit pas adapté au rôle de champ stationnaire créant un courant ressort clairement de considérations plus générales. Après tout, le champ électrostatique est potentiel, son travail lors du déplacement d'une charge le long d'un chemin fermé est nul. Par conséquent, il ne peut pas faire circuler des charges dans un circuit électrique fermé – cela nécessite d’effectuer un travail non nul.

Qui fera ce travail non nul ? Qui maintiendra la différence de potentiel dans le circuit et fournira un champ électrique stationnaire qui crée un courant dans les conducteurs ?

La réponse est la source de courant, l’élément le plus important du circuit électrique.

Pour que le courant continu circule dans un conducteur, les extrémités du conducteur doivent être reliées aux bornes de la source de courant (batterie, accumulateur, etc.).

Les bornes sources sont des conducteurs chargés. Si le circuit est fermé, les charges provenant des bornes se déplacent le long du circuit - comme dans l'exemple avec les billes évoqué ci-dessus. Mais désormais, la différence de potentiel entre les bornes ne diminue pas : la source de courant reconstitue en permanence les charges aux bornes, maintenant la différence de potentiel entre les extrémités du circuit à un niveau constant.

C'est le but d'une source DC. Des processus d'origine non électrique (le plus souvent chimique) s'y déroulent, qui assurent une séparation continue des charges. Ces charges sont fournies aux terminaux sources dans la quantité requise.

Nous étudierons les caractéristiques quantitatives des processus non électriques de séparation de charges à l'intérieur d'une source - ce qu'on appelle l'EMF - plus tard, dans la fiche correspondante.

Revenons maintenant au champ électrique stationnaire. Comment se produit-il dans les conducteurs d’un circuit en présence d’une source de courant ?

Les bornes chargées de la source créent un champ électrique aux extrémités du conducteur. Les charges libres du conducteur situé à proximité des bornes se mettent en mouvement et agissent avec leur champ électrique sur les charges voisines. A une vitesse proche de la vitesse de la lumière, cette interaction se transmet tout au long du circuit, et un courant électrique constant s'établit dans le circuit. Le champ électrique créé par les charges en mouvement se stabilise également.

Un champ électrique stationnaire est un champ de charges libres d'un conducteur effectuant un mouvement dirigé.

Un champ électrique stationnaire ne change pas avec le temps car avec un courant constant, le schéma de répartition des charges dans un conducteur ne change pas : à la place de la charge qui a quitté une section donnée du conducteur, exactement la même charge arrive à l'instant suivant dans temps. Pour cette raison, un champ stationnaire est similaire à bien des égards (mais pas tous) à un champ électrostatique.

A savoir, les deux affirmations suivantes sont vraies, dont nous aurons besoin plus tard (leur preuve est donnée dans un cours universitaire de physique).

1. Comme le champ électrostatique, le champ électrique stationnaire est potentiel. Cela nous permet de parler de la différence de potentiel (c'est-à-dire de la tension) à n'importe quelle partie du circuit (c'est cette différence de potentiel que l'on mesure avec un voltmètre).
La potentialité, rappelons-le, signifie que le travail d'un champ stationnaire pour déplacer une charge ne dépend pas de la forme de la trajectoire. C'est pourquoi, lorsque les conducteurs sont connectés en parallèle, la tension sur chacun d'eux est la même : elle est égale à la différence de potentiel du champ stationnaire entre les deux points auxquels les conducteurs sont connectés.
2. Contrairement au champ électrostatique, le champ stationnaire des charges en mouvement pénètre à l'intérieur du conducteur (le fait est que les charges libres, participant au mouvement dirigé, n'ont pas le temps de se réorganiser correctement et de prendre des configurations « électrostatiques »).
Les lignes d'intensité d'un champ stationnaire à l'intérieur d'un conducteur sont parallèles à sa surface, quelle que soit la courbure du conducteur. Par conséquent, comme dans un champ électrostatique uniforme, la formule est valable, où est la tension aux extrémités du conducteur, est l'intensité du champ stationnaire dans le conducteur et est la longueur du conducteur.

"Le courant électrique est le mouvement ordonné de particules chargées appelées ÉLECTRONS." Les électrons, qu'est-ce que c'est ? Nous n'entrerons pas dans les détails du manuel scolaire de physique et de chimie. Je vais essayer de vous le dire avec des mots simples et avec un exemple simple : ce n'est PAS difficile. Un électron est présent dans n'importe quel métal, aluminium, fer, cuivre ; tout ce à partir duquel les cuillères, tasses et fils métalliques sont fabriqués contient des électrons. Un électron est une particule chargée négativement avec un signe moins (-). Les électrons se déplacent à une vitesse énorme, presque instantanément et en même temps de manière chaotique. Se déplaçant dans des directions différentes, ils entrent en collision les uns avec les autres et avec d'autres particules également présentes dans les métaux, et ce mouvement chaotique des électrons ne vous est d'aucune utilité. Pour que le fer fonctionne et que l'ampoule s'allume, il faut faire bouger les électrons dans les fils électriques strictement dans un sens, leur donner une direction. Comment faire? Oui, très simple ! Vous devez connecter une source d'alimentation au fil, par exemple une batterie ordinaire. Une batterie a un plus et un moins ; en appliquant le plus à une extrémité du fil et le moins à l’autre, on obtient le mouvement directionnel des électrons. Les électrons se déplaceront dans le fil strictement dans une direction du plus au moins, et un courant électrique apparaîtra dans le fil.

Travail du courant électrique

Bien sûr, vous comprenez qu'on ne peut pas simplement court-circuiter les piles plus et moins avec un fil ? La batterie s'épuisera, le fil chauffera et cela n'en tirera aucun avantage, mais si vous cassez le fil et connectez une ampoule à la coupure, vous obtiendrez alors votre propre source de lumière, l'ampoule s'allumera , c'est-à-dire que le courant électrique commencera à fonctionner pour vous. L'ampoule allumée ne fait que confirmer la définition - (le travail du courant électrique).

C'est grâce au travail du courant électrique qu'une ampoule s'allume, qu'un téléviseur, un four à micro-ondes fonctionnent, etc.. S'il n'y a pas de mouvement ordonné des électrons, alors ces appareils électriques ne fonctionneront pas.

S'il y a une rupture dans un fil électrique, ou si un interrupteur est éteint, ou si quelque chose d'autre se produit qui empêche la circulation du courant électrique, le mouvement ordonné des électrons s'arrêtera et avec luile courant électrique s’arrêtera.

L'effet du courant électrique sur le corps humain

Je voudrais attirer votre attention sur le fait qu'une personne peut aussi être conductrice de courant électrique. Et si vous connectez une personne au réseau électrique (mettez vos doigts dans la prise) viale courant électrique circulera dans le corps humain.

Lorsque vous connectez un courant électrique à une ampoule, celle-ci s'allumera simplement et des conséquences très désagréables peuvent arriver à une personne. Un courant électrique supérieur à une certaine valeur peut causer des dommages à une personne tels que des brûlures, des problèmes respiratoires, des problèmes de rythme cardiaque et la mort. Le courant électrique n’a ni couleur, ni son, ni odeur, vous devez donc le manipuler avec beaucoup de prudence, mais vous ne devez pas non plus en avoir trop peur au point de bégayer et de transpirer froidement. Il vous suffit de connaître ses propriétés physiques et de suivre les précautions de sécurité.