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 continu de charge ne se produise : nous avons également besoin de certains moyens pour pousser ces porteurs de charge autour du circuit. Tout comme des billes dans un tube ou de l’eau dans un tuyau, il faut une certaine force d’influence pour déclencher le flux. Avec les électrons, cette force est la même que celle qui est à l’œuvre dans l’électricité statique : la force produite par un déséquilibre de la charge électrique. Si nous prenons l’exemple de la cire et de la laine qui ont été frottées l’une contre l’autre, nous constatons que l’excédent 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 l’on place un fil conducteur entre la cire et la laine chargées, des électrons le traverseront, car une partie des électrons en excès dans la cire se précipite à travers le fil pour revenir vers la laine, comblant ainsi le déficit d’électrons à cet endroit :
Le déséquilibre des électrons entre les atomes de la cire et ceux de la laine crée une force entre les deux matériaux. Comme les électrons ne peuvent pas passer de la cire à la laine, cette force ne peut qu’attirer les deux objets l’un vers l’autre. Cependant, maintenant qu’un conducteur comble l’espace isolant, la force va provoquer la circulation 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 l’un contre l’autre sert à stocker une certaine quantité d’énergie. Cette énergie n’est pas différente de l’énergie stockée dans un réservoir élevé d’eau qui a été pompée d’un étang de niveau inférieur :
L’influence de la gravité sur l’eau du réservoir crée une force qui tente de faire redescendre l’eau au niveau inférieur. Si l’on fait passer un tuyau approprié du réservoir vers l’étang, l’eau s’écoulera sous l’influence de la gravité vers le bas depuis le 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 vers le bas jusqu’à son niveau d’origine constitue une libération de l’énergie stockée par le 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 s’écouler par une canalisation pour redescendre à nouveau:
Les électrons ne sont pas très différents. Si nous frottons de la cire et de 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 leur équilibre dans leurs atomes respectifs). La force qui attire les électrons vers leur position initiale autour des noyaux positifs de leurs atomes est analogue à la force de gravité exercée sur l’eau dans le réservoir, qui tente de la ramener à son niveau antérieur. Tout comme le pompage de l’eau vers un niveau plus élevé entraîne le stockage d’énergie, le « pompage » d’électrons pour créer un déséquilibre de charge électrique entraîne le stockage d’une certaine quantité d’énergie dans ce déséquilibre. Et, tout comme le fait de permettre à l’eau de redescendre des hauteurs du réservoir entraîne une libération de cette énergie stockée, le fait de permettre aux électrons de revenir à leurs « niveaux » d’origine entraîne une libération de l’énergie stockée. Lorsque les porteurs de charge sont empilés dans cette condition statique (tout comme l’eau immobile, haute dans un réservoir), l’énergie stockée là est appelée énergie potentielle, parce qu’elle a la possibilité (potentiel) de libération qui n’a pas encore été pleinement réalisée.
Comprendre le concept de tension
Lorsque les porteurs de charge sont empilés dans cette condition statique (tout comme l’eau immobile, haute dans un réservoir), l’énergie stockée là est appelée énergie potentielle, parce qu’elle a la possibilité (potentiel) de libération qui n’a pas encore été pleinement réalisée. Lorsque vous frottez vos chaussures à semelles en 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 emmagasine de l’énergie sous la forme d’un déséquilibre de charges forcées à quitter leur emplacement initial. Cette charge (électricité statique) est stationnaire, et vous ne vous rendez pas compte que de l’énergie est stockée. Cependant, si vous placez votre main contre une poignée de porte en métal (avec beaucoup de mobilité d’électrons pour neutraliser votre charge électrique), cette énergie stockée sera libérée sous la forme d’un flux soudain de charges dans votre main, et vous le percevrez comme un choc électrique ! Cette énergie potentielle, stockée sous la forme d’un déséquilibre de charge électrique et capable de provoquer la circulation de porteurs de charge dans 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 appellerait l’énergie potentielle spécifique.
La définition de la tension
Définie dans le contexte de l’électricité statique, la tension est la mesure du travail nécessaire pour déplacer une charge unitaire d’un endroit à un autre, contre la force qui tente de maintenir les charges électriques équilibrées. Dans le contexte des sources d’énergie électrique, la tension est la quantité d’énergie potentielle disponible (travail à faire) par unité de charge, pour déplacer les charges dans 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 se déplace d’un « niveau » à un autre, elle est toujours référencée entre deux points. Considérons l’analogie du réservoir d’eau:
En raison de la différence de hauteur de la chute, il y a un potentiel pour 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 en laissant tomber une pierre : quel est l’impact le plus violent, une pierre tombée d’une hauteur d’un pied ou la même pierre tombée d’une hauteur d’un kilomètre ? Il est évident que la chute d’une pierre de plus grande hauteur entraîne une plus grande libération d’énergie (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 pierre qui tombe simplement en connaissant le poids de la pierre : dans les deux cas, nous devons également prendre en compte la distance à laquelle ces masses vont tomber depuis leur hauteur initiale. La quantité d’énergie libérée par la chute d’une masse est fonction de 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. Il est intéressant de noter que l’analogie d’une masse potentiellement « tombante » 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. Les 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 voiture). Pour l’instant, nous n’allons pas entrer dans les détails du fonctionnement de chacune de ces sources de tension – le plus important est que nous comprenions 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, ont deux points de contact électrique. Dans ce cas, nous avons le point 1 et le point 2 dans le schéma 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 va essayer de pousser les porteurs de charge à travers un circuit. Le fait que les lignes horizontales du symbole de la batterie semblent séparées (et donc incapables de servir de chemin pour le flux de charges) n’est pas une raison de s’inquiéter : dans la réalité, 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 pour les pousser en interagissant avec les plaques. Remarquez les petits signes « + » et « – » situés immédiatement à gauche du symbole de la pile. L’extrémité négative (-) de la pile est toujours celle dont le tiret est le plus court, et l’extrémité positive (+) de la pile est toujours celle dont le tiret est le plus long. L’extrémité positive d’une pile est celle qui essaie de pousser les porteurs de charge hors de la pile (rappelez-vous que, par convention, nous considérons les porteurs de charge comme étant chargés positivement, même si les électrons sont chargés négativement). De même, l’extrémité négative est celle qui tente 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 parce qu’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 du réservoir d’eau et de la pompe : sans tuyau de retour vers l’étang, l’énergie stockée dans le réservoir ne peut pas être libérée sous forme de flux d’eau. Une fois le réservoir complètement rempli, aucun écoulement ne peut se produire, quelle que soit la pression générée par la pompe. Pour qu’il y ait un flux continu, il faut un chemin complet (circuit) pour que l’eau circule de l’étang au réservoir, puis retourne à l’étang. Nous pouvons fournir un tel chemin pour la batterie en connectant un morceau de fil d’une extrémité de la batterie à l’autre. En formant un circuit avec une boucle de fil, nous initierons un flux continu de charge dans le sens des aiguilles d’une montre :
Comprendre le concept de courant électrique
Tant que la batterie continue à produire une tension et que la continuité du chemin électrique n’est pas rompue, les porteurs de charge continueront à circuler dans le circuit. En suivant la métaphore de l’eau qui se déplace dans un tuyau, ce flux continu et uniforme de charges dans le circuit est appelé un courant. Tant que la source de tension continue à « 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 CC. Dans le deuxième volume de cette série de livres, nous étudions les circuits électriques dans lesquels le sens du courant change dans les deux sens : Le courant alternatif, ou CA. Mais pour l’instant, nous ne nous intéresserons qu’aux circuits à courant continu. Le courant électrique étant composé de porteurs de charge individuels circulant à l’unisson dans un conducteur en se déplaçant et en poussant les porteurs de charge qui les précèdent, tout comme des billes dans un tube ou de l’eau dans un tuyau, la quantité de courant circulant dans un circuit unique sera la même en tout point. Si nous devions surveiller une section transversale du fil dans un circuit unique, en comptant les porteurs de charge qui passent, nous remarquerions exactement la même quantité par unité de temps que dans toute autre partie du circuit, indépendamment de la longueur ou du diamètre du conducteur. Si nous rompons la continuité du circuit en un point quelconque, le courant électrique cessera dans toute la boucle, et la tension totale produite par la batterie se manifestera à travers la rupture, entre les extrémités des fils qui étaient connectées :
Quelle est la polarité d’une chute de tension ?
Notez les signes « + » et « – » dessinés aux extrémités de la coupure dans le 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. N’oubliez pas 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 : le fait qu’un point d’un circuit soit marqué d’un » + » ou d’un » – » dépend de l’autre point auquel il est référencé. Regardez le circuit suivant, où chaque coin de la boucle est marqué d’un numéro pour référence:
Avec la continuité du circuit rompue entre les points 2 et 3, la polarité de la tension chutée 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 faire passer le courant dans la boucle dans le sens des aiguilles d’une montre, de 1 à 2, à 3, à 4 et de nouveau à 1. Maintenant, voyons ce qui se passe si nous reconnectons les points 2 et 3, 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 bien le fait que le « signe » du point 3 est opposé à celui du premier exemple, où la coupure était entre les points 2 et 3 (où le point 3 était marqué « -« ). 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 !
REVUE:
- Les porteurs de charge peuvent être motivés à circuler dans 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 endroits. 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. On parle parfois de « chute » de tension.
- Lorsqu’une source de tension est connectée à un circuit, la tension provoquera un flux uniforme de porteurs de charge à travers ce circuit appelé courant.
- Dans un circuit unique (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 tension totale de cette source apparaîtra aux points de la rupture.
- L’orientation +/- d’une chute de tension est appelée la polarité. Elle est également relative entre deux points.
Formulaires d’exercices connexes:
- Fiche de travail sur la tension, le courant et la résistance
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