courant électrique

Définition du courant électrique

Dans un conducteur comme le cuivre, des électrons se déplacent librement et aléatoirement à grande vitesse, sans toutefois s'échapper du métal. Ces électrons libres sont appelés électrons libres. Bien qu'ils se déplacent librement dans toutes les directions, il n'y a pas de flux net d'électrons dans une direction particulière. Cette situation se produit lorsqu'il n'y a pas de différence de potentiel entre les deux extrémités du fil de cuivre.

Lorsqu'un fil conducteur est connecté à une source électrique, une différence de potentiel apparaît entre ses deux extrémités, créant ainsi un champ électrique. La présence de ce champ électrique induit une force électrique sur les électrons libres : F = qE = eE, où F représente la force électrique, e la charge de l'électron et E le champ électrique . Cette force électrique provoque une accélération commune à tous les électrons en mouvement, dans la même direction que la force électrique.

Ces électrons libres, se déplaçant de concert, se situent entre les atomes fixes du fil de cuivre, ce qui provoque des collisions entre tous les électrons et ces atomes. Ces collisions induisent un changement de direction chez les électrons libres. Tous ces électrons sont constamment soumis à une force électrique, ce qui les accélère dans le même sens. Après un court instant, les électrons libres entrent de nouveau en collision avec les atomes du fil de cuivre. Cependant, toujours soumis à une force électrique, ils accélèrent encore une fois.

Ainsi, en plus de se déplacer aléatoirement dans diverses directions, tous les électrons libres se déplacent également lentement de concert dans le sens de la force électrique et dans le sens opposé au champ électrique. Le champ électrique est orienté des potentiels électriques élevés vers les potentiels électriques faibles, tandis que les électrons se déplacent des potentiels faibles vers les potentiels élevés. Le mouvement aléatoire de chaque électron libre est très rapide, tandis que le mouvement collectif des électrons libres dans le sens de la force électrique est très lent. Ce mouvement collectif des électrons libres dans le sens de la force électrique est également appelé vitesse de dérive.

Le courant électrique est défini comme le déplacement de charges électriques à travers une section transversale d'un conducteur pendant un intervalle de temps déterminé. Par convention, le sens du courant électrique est le même que celui du mouvement des charges positives. Cette convention a été établie avant que l'on sache que ce sont en réalité des électrons libres, chargés négativement, qui se déplacent dans un conducteur. Le sens du mouvement des électrons dans un conducteur est opposé à celui du courant électrique. Par conséquent, lorsqu'on parle du courant qui circule dans un conducteur, on fait référence au déplacement de charges positives, également appelé courant conventionnel car il résulte de cette convention.

formule du courant électrique

Mathématiquement, le courant électrique s'exprime par l'équation :
I = ΔQ / Δt
Description de la formule : I = courant électrique, ΔQ = quantité de charge électrique, Δt = intervalle de temps.

Unité de courant électrique

L'unité de charge électrique est le coulomb, l'unité de temps est la seconde, donc l'unité de courant électrique est le coulomb par seconde (C/s). Le coulomb par seconde est également appelé ampère , du nom du physicien français André-Marie Ampère (1775-1836). 1 ampère = 1 coulomb par seconde (1 A = 1 C/s). Autrement dit, un courant électrique de 1 ampère correspond à une charge électrique de 1 coulomb traversant la section d'un fil conducteur pendant 1 seconde. Outre l'ampère, le courant électrique s'exprime également en milliampères (1 mA = 10⁻³ ^A ), en microampères (1 μA = ^10⁻⁶ A), en nanoampères (1 nA = ^10⁻⁹ A) ou en picoampères (1 pA = ^10⁻¹² A).

Exemple de question 1 :

Un courant de 2 ampères circule dans un fil conducteur pendant 8 secondes. Déterminez la valeur absolue de la charge passant par un point donné et le nombre d'électrons qui la composent.
Discussion
Il est connu que :
Courant électrique (I) = 1 ampères
Intervalle de temps (t) = 2 secondes
Demandé: charge (Q) et nombre d'électrons (e)
Répondre :
Formule du courant électrique :
I = Q/t
Description de la formule : I = courant électrique, Q = charge électrique, t = intervalle de temps
Charge électrique :
Q = I t = (2 Ampères)(8 secondes) = 16 Coulombs.

La charge d'un électron est de 1,6 x 10 ^-19 Coulombs, donc une charge de 16 Coulombs a autant d'électrons que 16 C / 1,6 x 10 ^-19 Coulombs = 10 x 10 ¹⁹ électrons.

Courant électrique, vitesse de dérive et densité de courant

Considérons une charge positive se déplaçant vers la droite avec une vitesse de dérive v dans la direction d'un champ électrique E dans un conducteur de section transversale A. La charge positive parcourt une distance s = vt pendant un intervalle de temps t.

Si la densité de particules chargées par unité de volume est n et que le volume du conducteur est A_s = A_vt, alors le nombre de particules chargées dans le volume du conducteur est n_{A_v}t. Si chaque particule chargée possède une charge q, la quantité de charge qui traverse l'extrémité du conducteur pendant l'intervalle de temps t est Q = nq A_vt. L'intensité du courant électrique traversant l'extrémité du conducteur est donc I = Q/t = nq A_v. La densité de courant, ou intensité du courant par unité de surface A, est J = I/A = nq v. On peut en conclure que l'intensité du courant circulant dans le conducteur est le produit de la densité de particules chargées (n), de la charge élémentaire (q), de la section du conducteur (A) et de la vitesse de déplacement des particules chargées (v).

Étudiez l'exemple de problème suivant pour comprendre la différence entre la vitesse de chaque particule chargée et la vitesse de dérive de toutes les particules chargées.

Exemple de question 2 :

Un courant constant de 10 ampères circule dans un fil de cuivre de section 3 x 10^-6 m²La densité d'électrons libres est de 8,4 x 10²⁸ électrons/m³Déterminez la vitesse de dérive des électrons libres !
Discussion
Il est connu que :
Courant électrique (I) = 10 ampères
Section transversale du fil (A) = 3 x 10^-6 m²
Densité d'électrons libres (n) = 8,4 x 10²⁸ m^-3
Charge de l'électron (q) = 1,6 x 10^{- 19} C
Demandé: vitesse de dérive des électrons libres (v)
Répondre :
La vitesse des électrons est calculée à l'aide de la formule précédemment établie :

Description : I = courant électrique, n = densité de particules chargées = densité d'électrons libres, q = charge élémentaire, A = section du conducteur, v = vitesse de dérive des électrons

La vitesse de dérive des électrons est de 0,248 x 10 ^-3 mètres/seconde = 0,248 millimètres/seconde.

Dans un fil conducteur, les électrons libres se déplacent à une vitesse de 0,248 millimètre par seconde. Autrement dit, chaque seconde, tous les électrons libres parcourent 0,248 millimètre. C'est une vitesse extrêmement lente. Si le mouvement des électrons libres est si lent, pourquoi une lampe électrique s'allume-t-elle instantanément après qu'on actionne l'interrupteur ?

Pour comprendre cela, imaginons le flux d'électrons dans un conducteur comme le flux d'eau dans un tuyau d'arrosage. Si le tuyau est rempli d'eau, et que l'on branche une de ses extrémités à un robinet, l'eau s'écoulera immédiatement de l'autre côté. De même, il existe des électrons libres dans le fil de cuivre et le fil de l'ampoule. Lorsqu'on actionne l'interrupteur, un champ électrique est généré à une vitesse proche de celle de la lumière (3 × 10⁸ ^m /s), ce qui provoque le mouvement simultané des électrons libres. Le fil de l'ampoule contenant déjà des électrons libres, l'ampoule s'allume instantanément.