Tension et courant

Comme cela a été mentionné précédemment, nous avons besoin de plus qu'un simple chemin continu (c'est-à-dire un circuit) avant qu'un flux de charge continu ne se produise :nous avons également besoin de moyens pour pousser ces porteurs de charge autour du circuit. Tout comme les billes dans un tube ou l'eau dans un tuyau, il faut une sorte de force d'influence pour initier le flux. Avec les électrons, cette force est la même force à l'œuvre dans l'électricité statique :la force produite par un déséquilibre de charge électrique. Si l'on prend les exemples de cire et de laine qui ont été frottées ensemble, on constate que le surplus d'électrons dans la cire (charge négative) et le déficit d'électrons dans la laine (charge positive) créent un déséquilibre de charge entre elles. Ce déséquilibre se manifeste par une force d'attraction entre les deux objets :

Si un fil conducteur est placé entre la cire chargée et la laine, les électrons le traverseront, car certains des électrons en excès dans la cire se précipitent à travers le fil pour revenir à la laine, comblant ainsi le manque d'électrons :

Le déséquilibre des électrons entre les atomes de la cire et les atomes de la laine crée une force entre les deux matériaux. En l'absence de chemin pour que les électrons s'écoulent de la cire à la laine, tout ce que cette force peut faire est d'attirer les deux objets ensemble. Maintenant qu'un conducteur comble l'espace isolant, cependant, la force provoquera le passage des électrons dans une direction uniforme à travers le fil, ne serait-ce que momentanément, jusqu'à ce que la charge dans cette zone se neutralise et que la force entre la cire et la laine diminue. La charge électrique formée entre ces deux matériaux en les frottant sert à emmagasiner une certaine quantité d'énergie. Cette énergie n'est pas sans rappeler l'énergie stockée dans un réservoir d'eau élevé qui a été pompé à partir d'un étang de niveau inférieur :

L'influence de la gravité sur l'eau dans le réservoir crée une force qui tente de faire redescendre l'eau vers le niveau inférieur. Si un tuyau approprié est acheminé du réservoir à l'étang, l'eau s'écoulera sous l'influence de la gravité vers le bas du réservoir, à travers le tuyau :

Il faut de l'énergie pour pomper cette eau de l'étang de bas niveau vers le réservoir de haut niveau, et le mouvement de l'eau à travers la tuyauterie jusqu'à son niveau d'origine constitue une libération d'énergie stockée lors du pompage précédent. Si l'eau est pompée à un niveau encore plus élevé, il faudra encore plus d'énergie pour le faire, donc plus d'énergie sera stockée et plus d'énergie libérée si l'eau est autorisée à redescendre dans un tuyau :

Les électrons ne sont pas très différents. Si nous frottons la cire et la laine ensemble, nous « pompons » les électrons loin de leurs « niveaux » normaux, créant une condition où une force existe entre la cire et la laine, alors que les électrons cherchent à rétablir leurs anciennes positions (et à s'équilibrer au sein de leur atomes respectifs). La force attirant les électrons vers leurs positions d'origine autour des noyaux positifs de leurs atomes est analogue à la force que la gravité exerce sur l'eau dans le réservoir, essayant de la ramener à son niveau antérieur. Tout comme le pompage de l'eau à un niveau supérieur entraîne le stockage d'énergie, le « pompage » des électrons pour créer un déséquilibre de charge électrique entraîne le stockage d'une certaine quantité d'énergie dans ce déséquilibre. Et, tout comme fournir un moyen pour que l'eau redescende des hauteurs du réservoir entraîne une libération de cette énergie stockée, fournir un moyen pour les électrons de revenir à leurs «niveaux» d'origine entraîne une libération d'énergie stockée. Lorsque les porteurs de charge sont en équilibre dans cette condition statique (tout comme l'eau immobile, haute dans un réservoir), l'énergie stockée là-bas est appelée énergie potentielle , car il a une possibilité (potentielle) de libération qui n'a pas encore été pleinement réalisée.

Comprendre le concept de tension

Lorsque les porteurs de charge sont en équilibre dans cette condition statique (tout comme l'eau immobile, en hauteur dans un réservoir), l'énergie stockée là-bas est appelée énergie potentielle, car elle a la possibilité (potentiel) de libération qui n'a pas encore été pleinement réalisée. Lorsque vous frottez vos chaussures à semelles de caoutchouc contre un tapis en tissu par temps sec, vous créez un déséquilibre de charge électrique entre vous et le tapis. L'action d'érafler vos pieds stocke de l'énergie sous la forme d'un déséquilibre de charges forcé de leur emplacement d'origine. Cette charge (électricité statique) est stationnaire, et vous ne réaliserez pas du tout que l'énergie est stockée. Cependant, une fois que vous placez votre main contre une poignée de porte en métal (avec beaucoup de mobilité électronique pour neutraliser votre charge électrique), cette énergie stockée sera libérée sous la forme d'un flux de charge soudain à travers votre main, et vous la percevrez comme un choc électrique! Cette énergie potentielle, stockée sous la forme d'un déséquilibre de charge électrique et capable de provoquer le passage des porteurs de charge à travers un conducteur, peut être exprimée sous la forme d'un terme appelé tension, qui est techniquement une mesure de l'énergie potentielle par unité de charge ou quelque chose qu'un physicien voudrait appelle énergie potentielle spécifique.

La définition de la tension

Définie dans le contexte de l'électricité statique, la tension est la mesure du travail requis pour déplacer une unité de charge d'un endroit à un autre, contre la force qui tente de maintenir l'équilibre des charges électriques. Dans le contexte des sources d'énergie électrique, la tension est la quantité d'énergie potentielle disponible (travail à effectuer) par unité de charge, pour déplacer les charges à travers un conducteur. Parce que la tension est une expression de l'énergie potentielle, représentant la possibilité ou le potentiel de libération d'énergie lorsque la charge passe d'un « niveau » à un autre, elle est toujours référencée entre deux points. Considérez l'analogie avec le réservoir d'eau :

En raison de la différence de hauteur de la chute, il est possible que beaucoup plus d'énergie soit libérée du réservoir à travers la tuyauterie vers l'emplacement 2 que vers l'emplacement 1. Le principe peut être compris intuitivement lors de la chute d'une roche :ce qui entraîne une plus impact violent, un rocher tombé d'une hauteur d'un pied, ou le même rocher tombé d'une hauteur d'un mile ? Évidemment, la chute de plus grande hauteur entraîne une plus grande énergie libérée (un impact plus violent). Nous ne pouvons pas évaluer la quantité d'énergie stockée dans un réservoir d'eau simplement en mesurant le volume d'eau, pas plus que nous ne pouvons prédire la gravité de l'impact d'une chute de pierre simplement en connaissant le poids de la roche :dans les deux cas, nous devons également considérer comment loin ces masses chuteront de leur hauteur initiale. La quantité d'énergie libérée en laissant tomber une masse est relative à la distance entre ses points de départ et d'arrivée. De même, l'énergie potentielle disponible pour déplacer les porteurs de charge d'un point à un autre est relative à ces deux points. Par conséquent, la tension est toujours exprimée comme une quantité entre deux points. Chose intéressante, l'analogie d'une masse potentiellement « chutant » d'une hauteur à une autre est un modèle si approprié que la tension entre deux points est parfois appelée chute de tension .

Génération de tension

La tension peut être générée par d'autres moyens que le frottement de certains types de matériaux les uns contre les autres. Les réactions chimiques, l'énergie rayonnante et l'influence du magnétisme sur les conducteurs sont quelques-unes des façons dont la tension peut être produite. Des exemples respectifs de ces trois sources de tension sont les batteries, les cellules solaires et les générateurs (tels que l'unité "alternateur" sous le capot de votre automobile). Pour l'instant, nous n'entrerons pas dans les détails sur le fonctionnement de chacune de ces sources de tension. Le plus important est de comprendre comment les sources de tension peuvent être appliquées pour créer un flux de charge dans un circuit électrique. Prenons le symbole d'une batterie chimique et construisons un circuit étape par étape :

Comment fonctionnent les sources de tension ?

Toute source de tension, y compris les batteries, a deux points de contact électrique. Dans ce cas, nous avons le point 1 et le point 2 dans le diagramme ci-dessus. Les lignes horizontales de longueur variable indiquent qu'il s'agit d'une batterie, et elles indiquent en outre la direction dans laquelle la tension de cette batterie tentera de pousser les porteurs de charge à travers un circuit. Le fait que les lignes horizontales du symbole de la batterie apparaissent séparées (et donc incapables de servir de chemin pour le flux de charge) n'est pas préoccupant :dans la vraie vie, ces lignes horizontales représentent des plaques métalliques immergées dans un matériau liquide ou semi-solide qui non seulement conduit les charges, mais génère également la tension nécessaire pour les pousser en interagissant avec les plaques. Remarquez les petits signes « + » et « - » immédiatement à gauche du symbole de la batterie. L'extrémité négative (-) de la batterie est toujours l'extrémité avec le tiret le plus court, et l'extrémité positive (+) de la batterie est toujours l'extrémité avec le tiret le plus long. L'extrémité positive d'une batterie est l'extrémité qui essaie d'en expulser les porteurs de charge (rappelez-vous que par convention, nous pensons que les porteurs de charge sont chargés positivement, même si les électrons sont chargés négativement). De même, l'extrémité négative est l'extrémité qui essaie d'attirer les porteurs de charge. Avec les extrémités "+" et "-" de la batterie non connectées à quoi que ce soit, il y aura une tension entre ces deux points, mais il n'y aura pas de flux de charge à travers la batterie car il n'y a pas de chemin continu à travers lequel les porteurs de charge peuvent se déplacer.

Le même principe s'applique à l'analogie entre le réservoir d'eau et la pompe :sans un tuyau de retour vers l'étang, l'énergie stockée dans le réservoir ne peut pas être libérée sous forme d'écoulement d'eau. Une fois le réservoir complètement rempli, aucun écoulement ne peut se produire, quelle que soit la pression que la pompe peut générer. Il doit y avoir un chemin complet (circuit) pour que l'eau s'écoule de l'étang au réservoir, et retourne à l'étang afin qu'un écoulement continu se produise. On peut prévoir un tel chemin pour la batterie en connectant un morceau de fil d'une extrémité de la batterie à l'autre. Formant un circuit avec une boucle de fil, nous allons initier un flux de charge continu dans le sens des aiguilles d'une montre :

Comprendre le concept de courant électrique

Tant que la batterie continue à produire de la tension et que la continuité du chemin électrique n'est pas interrompue, les porteurs de charge continueront à circuler dans le circuit. Suivant la métaphore de l'eau se déplaçant dans un tuyau, ce flux de charge continu et uniforme à travers le circuit est appelé un courant . Tant que la source de tension continue de « pousser » dans la même direction, les porteurs de charge continueront à se déplacer dans la même direction dans le circuit. Ce flux de courant unidirectionnel est appelé Courant continu , ou DC. Dans le deuxième volume de cette série de livres, les circuits électriques sont explorés où la direction du courant change d'avant en arrière :Courant alternatif , ou CA. Mais pour l'instant, nous nous intéresserons uniquement aux circuits à courant continu. Parce que le courant électrique est composé de porteurs de charge individuels circulant à l'unisson à travers un conducteur en se déplaçant et en poussant sur les porteurs de charge devant, tout comme des billes à travers un tube ou de l'eau à travers un tuyau, la quantité de flux dans un seul circuit sera la même à tout moment. Si nous devions surveiller une section transversale du fil dans un seul circuit, en comptant les porteurs de charge circulant, nous remarquerions exactement la même quantité par unité de temps que dans toute autre partie du circuit, quelle que soit la longueur du conducteur ou le conducteur. diamètre. Si nous rompons la continuité du circuit à tout moment , le courant électrique cessera dans toute la boucle et la pleine tension produite par la batterie se manifestera à travers la coupure, entre les extrémités des fils qui étaient connectés :

Quelle est la polarité d'une chute de tension ?

Remarquez les signes « + » et « - » dessinés aux extrémités de la coupure du circuit, et comment ils correspondent aux signes « + » et « - » à côté des bornes de la batterie. Ces marqueurs indiquent la direction dans laquelle la tension tente de pousser le courant, cette direction potentielle communément appelée polarité . Rappelez-vous que la tension est toujours relative entre deux points. De ce fait, la polarité d'une chute de tension est également relative entre deux points :qu'un point d'un circuit soit étiqueté avec un "+" ou un "-" dépend de l'autre point auquel il est référencé. Jetez un œil au circuit suivant, où chaque coin de la boucle est marqué d'un numéro de référence :

La continuité du circuit étant rompue entre les points 2 et 3, la polarité de la tension tombée entre les points 2 et 3 est « + » pour le point 2 et « - » pour le point 3. La polarité de la batterie (1 « + » et 4 « - » ) essaie de pousser le courant à travers la boucle dans le sens des aiguilles d'une montre de 1 à 2 à 3 à 4 et de nouveau à 1. Voyons maintenant ce qui se passe si nous relions les points 2 et 3 ensemble, mais plaçons une coupure dans le circuit entre les points 3 et 4 :

Avec la coupure entre 3 et 4, la polarité de la chute de tension entre ces deux points est « - » pour 4 et « + » pour 3. Notez particulièrement que le « signe » du point 3 est opposé à celui du premier exemple, où la rupture était entre les points 2 et 3 (où le point 3 était étiqueté « - »). Il nous est impossible de dire que le point 3 de ce circuit sera toujours soit « + » soit « - », car la polarité, comme la tension elle-même, n'est pas spécifique à un seul point, mais est toujours relative entre deux points !

AVIS :

• Les porteurs de charge peuvent être incités à traverser un conducteur par la même force qui se manifeste dans l'électricité statique.
• La tension est la mesure de l'énergie potentielle spécifique (énergie potentielle par unité de charge) entre deux emplacements. En termes simples, c'est la mesure de la « poussée » disponible pour motiver la charge.
• La tension, en tant qu'expression de l'énergie potentielle, est toujours relative entre deux emplacements ou points. Parfois, cela s'appelle une "chute de tension".
• Lorsqu'une source de tension est connectée à un circuit, la tension provoque un flux uniforme de porteurs de charge à travers ce circuit appelé courant .
• Dans un circuit simple (une boucle), la quantité de courant en tout point est la même que la quantité de courant en tout autre point.
• Si un circuit contenant une source de tension est rompu, la pleine tension de cette source apparaîtra aux points de rupture.
• L'orientation +/- d'une chute de tension est appelée la polarité . Elle est aussi relative entre deux points.

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Fiche de travail sur la tension, le courant et la résistance