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Électrostatique et électrocinétique

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Électrostatique

Electrocinétique

Électrostatique

Pour simplifier dans la suite du cours, ce qu'on nomme habituellement électrostatique sera appelé ici électrique.
C'est les premiers effets de l'électricité connus par l'homme, dès l'antiquité. Si on enlève des électrons à un corps pour les donner à un autre (en les frottants l'un contre l'autre par exemple), ces deux corps vont ensuite s'attirer, car leur charges électrostatique sont opposées.
Ces corps doivent être isolants, sinon les charges électriques ne vont pas rester à la surface de ces corps.

De même, une atmosphère fait écouler toutes les charges de surface, donc les effets électrostatiques ne se font pratiquement plus sentir.

L'électrostatique peut donc être vue comme l'étude d'une accumulation de charges en l'absence de courant d'écoulement des charges ( mais il y a forcément un courant pour amener les charges en vue de leur accumulation!).

L'outil inventé par cette science est le condensateur, qui peut garder entre ses deux plaques non reliées électriquement un champ électrique, à condition que les deux plaques soient chargées en opposition manque de charges d'un côté, excès de charges de l'autre).

2 charges de signes opposés s'attirent, 2 charges de même signe se repoussent, selon une force donnée par la loi de Coulomb (pour des charges immobiles) :

avec r le vecteur directeur entre la charge Q1 et Q2, d la distance entre les 2 charges, et ε0 la permittivité du vide, à remplacer par la permittivité du milieu support du champ électrique entre les 2 charges. Et F est la force qui s'exerce à la fois sur Q1 et sur Q2, car d'après la loi d'action-réaction de Newton la même force s'exerce sur les 2 charges.

La force d'attraction comme de répulsion sont strictement identiques.

Si les charges sont en mouvement, elles génèrent du magnétisme et une force électromagnétique se rajoute à la force de coulomb, nous verrons cette force plus loin.
Il n'y a que 2 types de charges électriques connues, l'électron, charge positive, qui gravite autour du noyau de l'atome, et le proton, négatif, qui constitue avec les neutrons (charge neutre) le noyau de l'atome.

Les charges du proton et de l'électron sont strictement identiques, et il faut le même nombre d'électrons que de protons pour que l'atome soit électriquement neutre.
Charge de l'électron : 1,602 177 33.10-19 C (Coulomb), et du proton : -1,602 177 33.10-19 C (le parfait opposé de l'électron).
Pour rappel, le coulomb a été établi comme la charge de 6,24.10¹⁸ électrons.

D'après la loi de Coulomb, c'est principalement la distance qui joue sur l'intensité de la force, ainsi que la quantité de charges dans Q1 ou dans Q2.

L'équation d'une charge dans un champ électrique est donnée par :

c'est la force électrique (ou force de Coulomb). Avec F la force en Newtons exercée, q la charge en Coulombs et E la Force électromotrice, ou fém, qui exerce une force sur les charges électriques et les met en mouvement si elles ne sont pas attachées à quelque chose. Dès que les charges sont en mouvement, on quitte le domaine de l'électrostatique pour arriver dans celui de l'électrocinétique.

Electrocinétique

Grâce à la pile de Volta en 1799, on peut obtenir une différence de potentiel suffisamment stable dans le temps pour observer à loisir un déplacement d'électrons dans un conducteur électrique.

Un matériau conducteur de l'électricité possède des électrons faiblement liés à leur atome correspondant. C'est à dire que l'atome à le même nombre d'électrons que de protons pour garantir la neutralité électrique, mais sa dernière couche électronique étant remplie, les un ou 2 électrons en trop peuvent partir quand bon leur chante, sous l'effet d'un champ électrique par exemple. Ces électrons faiblement liés sont appelés électrons libres.

Un conducteur comme le cuivre possède des électrons libres à toutes les températures. D'autres matériau n'ont des électrons libres qu'à certaines conditions de température et de pression, comme le gaz des tubes néon. D'autres matériaux ont des électrons libres plus fortement liés à l'atome, demandant une tension électrique plus importante pour être conducteurs.

Le courant I=dq/dt, c'est la quantité de charge dq passant à travers la section du conducteur pendant un intervalle de temps dt.
La densité de courant J est elle la quantité de charge passant à travers une surface unitaire du conducteur pendant un intervalle de temps dt.

Les charges électriques en mouvement, que nous appelleront électrons libres pour les conducteurs électriques usuels, et pour se simplifier la vie électrons tout court, se cognent aux atomes (et à la structure atomique via les liaisons covalentes) en se déplaçant. Il y a donc une certaine résistance opposée à l'avancement. Ces ébranlements de la structure atomique du matériau conducteur conduisent à l'élévation de sa température. Bien entendu, ces chocs prélèvent de l'énergie à la fém qui met en branle les électrons.

A reprendre

La chute de tension est très importante si les charges vont plus vite. Dans un circuit électrique, un semi conducteur à moins de charge que le conducteur cuivre. C'est comme si on avait une réduction venturi, il faut donc que les charges aillent plus vite dans le semi-conducteur pour garder un courant constant, d'où la chute de potentiel de 0,6 V dans un semi-conducteur comme un transistor.

Le courant est caractérisé uniquement par sa puissance. Les 2 grandeurs qu'on mesure, U et I, sont proportionnelles à la puissance via la relation P=UI.

Par exemple, une très faible chute de tension U verra un gros courant passer si la résistance est faible, et inversement une grosse résistance nécessitera une grosse chute de tension mais un courant plus faible. S'il y a plus de puissance appliquée derrière, U et donc I augmentent en proportion.

Une grande tension n'engendre pas de pertes Joules. Alors qu'un gros courant oui. C'est pourquoi on essaye dans la mesure du possible de travailler plutôt en tension qu'en courant. Tout ça pour une même puissance. Les pertes Joules étant proportionnelles à RI², diviser le courant par 2 c'est réduire les pertes par 4!

Le problème d'augmenter la tension, c'est la dangerosité et le claquage des composants, qui doivent être très isolant pour tenir une telle tension. C'est comme en hydraulique, on travaille à très haute pression pour réduire le débit donc les frottements et pertes, mais le moindre joint faiblard c'est la fuite.

Cette notion de puissance se retrouvera lors de la décharge d'une bobine par exemple, la puissance générée, pouvant être très importante, pouvant faire monter la tension très haut afin de vaincre de grandes résistances, jusqu'à faire claquer des arcs électriques histoire de chuter en puissance magnétique.

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