Définition du courant électrique
Dans un conducteur comme le cuivre, certains 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'existe pas de flux d'électrons concentré 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 est connecté à une source électrique, une différence de potentiel apparaît entre ses deux extrémités, générant ainsi un champ électrique. 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 simultanée de tous les électrons, dans le sens de la force électrique.
Les électrons libres se déplacent ensemble entre les atomes du fil de cuivre, de sorte que tous les électrons entrent en collision avec ces atomes. Ces collisions modifient la direction des électrons libres. Tous ces électrons subissent une force électrique constante qui les accélère dans le même sens que cette force. Après un court instant, les électrons libres entrent en collision avec les atomes du fil de cuivre. Cependant, toujours soumis à une force électrique, ils sont de nouveau accélérés. Ainsi, en plus de se déplacer aléatoirement dans diverses directions, tous les électrons libres se déplacent également lentement ensemble dans le sens de la force électrique et dans le sens opposé au champ électrique. Le champ électrique est orienté d'un potentiel électrique élevé vers un potentiel électrique faible, tandis que les électrons se déplacent d'un potentiel faible vers un potentiel élevé. Le mouvement aléatoire de chaque électron libre est très rapide, tandis que le mouvement des électrons libres dans le sens de la force électrique est très lent. Ce dernier mouvement, appelé vitesse de dérive, 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 des charges positives. Cette convention a été établie avant que l'on sache que ce sont en réalité les électrons libres, chargés négativement, qui se déplacent dans un conducteur. Le sens de déplacement des électrons dans le conducteur est opposé à celui du courant électrique. Ainsi, lorsque l'on parle de courant circulant dans un conducteur, on fait référence au déplacement de charges positives, également appelé courant conventionnel car il résulte d'une convention.
L'équation du courant électrique
Mathématiquement, le courant électrique s'exprime par l'équation :
I = Δ Q / Δt
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 aussi 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 problème 1 :
Un courant de 2 ampères traverse le fil pendant 8 secondes. Déterminez la quantité de charge passant par un point donné et le nombre d'électrons dans cette charge.
Connu:
Courant électrique (I) = 1 ampères
Intervalle de temps (t) = 2 secondes
On recherche : la charge (Q) et le nombre d'électrons (e)
Solution:
Équation du courant électrique :
I = Q/t
I = courant électrique, Q = charge électrique, t = intervalle de temps
Charge électrique :
Q = I t = (2 Ampères)(8 secondes) = 16 C.
La charge d'un électron est de 1.6 x 10 -19 Coulomb, donc la charge de 16 Coulombs a autant d'électrons que 16 C / 1.6 x 10 -19 Coulomb = 10 x 10 19 électrons.
Courant électrique, vitesse de dérive et densité de courant
Considérons la charge positive qui se déplace vers la droite à la vitesse v, dérivant dans la direction du champ électrique E.
sur un conducteur ayant une section transversale A. La charge positive se déplace sur une distance s = vt pendant l'intervalle de temps t.
Si le nombre de particules chargées par volume (densité de particules chargées) est n et que le volume du conducteur est A s = A vt,
Le nombre de particules chargées dans le volume du conducteur est alors nAvt. Si chaque particule chargée porte une charge q, la quantité de charge traversant l'extrémité du conducteur pendant l'intervalle t est Q = nqAvt. Ainsi, le courant électrique traversant l'extrémité du conducteur est I = Q / t = nqAv. La densité de courant, ou courant par unité de surface A, est quant à elle J = I / A = nqv.
On peut conclure que le courant circulant dans le conducteur est le produit de la multiplication de la densité des particules chargées (n),
la quantité de charge pour chaque particule (q), la surface du conducteur (A) et la vitesse des particules chargées (v).
Étudiez les exemples de questions suivants.
Exemple de problème 2 :
Un courant constant de 10 ampères circule dans un fil de cuivre de section 3 × 10⁻⁶ m² . La densité d'électrons libres est de 8.4 × 10²⁸ électrons/m³ . Déterminez la vitesse de dérive des électrons libres.
Connu:
Courant électrique (I) = 10 ampères
Section 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
Recherche : Vitesse de dérive des électrons libres (v)
Solution:
La vitesse des électrons est calculée à l'aide d'une formule qui a déjà été établie :
I = courant électrique, n = densité de particules chargées = densité électronique, q = charge élémentaire, A = section du conducteur, v = vitesse de déplacement 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 une distance de 0.248 millimètre. C'est une vitesse extrêmement lente. Si le mouvement des électrons libres est si lent, pourquoi la lampe s'allume-t-elle instantanément après avoir actionné l'interrupteur ?
Pour comprendre cela, on peut comparer le flux d'électrons dans un conducteur à celui de l'eau dans un tuyau d'arrosage. Si le tuyau est rempli d'eau et qu'on en raccorde une extrémité au robinet, l'eau s'écoule immédiatement par l'autre extrémité. De même, des électrons libres sont présents dans le fil de cuivre et le fil d'une ampoule. Lorsqu'on actionne l'interrupteur, un champ électrique se crée à une vitesse proche de celle de la lumière (3 × 10⁸ mètres par seconde), ce qui provoque le mouvement des électrons libres. Ces électrons libres étant déjà présents dans le fil d'une ampoule, la lumière s'allume à cet instant précis.
Problèmes et solutions
1. Un courant continu de 10 A circule dans un fil conducteur pendant 2 minutes. Quelle quantité de charge traverse le conducteur en un point quelconque ?
Connu :
Courant électrique (I) = 10 A
Intervalle de temps (t) = 2 minutes = 2 x 60 secondes = 120 secondes
Recherché : Charge (Q)
Solution:
Équation du courant électrique :
I = q/t
I = le courant électrique, q = la charge électrique, t = l'intervalle de temps
La charge électrique :
Q = I t = (10)(120) = 1200 °C
2. Une charge de 60 C traverse un point du circuit pendant 5 minutes. Quelle est l'intensité du courant électrique ?
Connu :
L'intervalle de temps (t) = 5 minutes = 5 x 60 secondes = 300 secondes
La charge électrique (Q) = 60 C
Recherché : Le courant électrique (I)
Solution:
Le courant électrique :
I = Q/t
I = 60 300 XNUMX / XNUMX
I = 0.2 coulombs/seconde
I = 0.2 ampères
3. L'unité de courant électrique dans le système SI est…
Solution
Coulombs/second
Coulombs/secondes, auquel on a donné un nom spécial : l'ampère.
