électricité
(anglais electricity, du grec êlektron, ambre jaune)
Manifestation d'une forme d'énergie associée à des charges électriques, au repos ou en mouvement.
Électricité atmosphérique
Le système planète-atmosphère représente un énorme condensateur sphérique : les deux armatures sont constituées par le sol et l'ionosphère, très bons conducteurs ; le diélectrique est formé par la stratosphère et la troposphère, mauvais conducteurs. Le champ électrique est dirigé vers le bas, entre les couches supérieures, chargées d'électricité positive, et le sol, chargé d'électricité négative.
Historique
Électrostatique
Le phénomène électrique le plus anciennement connu est la propriété que l'ambre jaune acquiert, par le frottement, d'attirer les corps légers. Ce fait est consigné par Thalès de Milet, au viie s. avant J.-C. D'autre part, les anciens Indiens remarquent que certains cristaux chauffés attirent les cendres chaudes. Ce n'est qu'au xvie s. que William Gilbert reconnaît la propriété de l'ambre dans diverses substances : le verre, la résine, le soufre, etc., ce qui amène à distinguer les matériaux isolants des matériaux conducteurs.
Otto von Guericke invente la première machine électrostatique, comportant un globe de soufre tournant et qui permet d'obtenir la première étincelle électrique. En 1727, Stephen Gray observe que les conducteurs peuvent être électrisés, pourvu qu'ils soient isolés, et Charles François de Cisternay Du Fay met en évidence l'existence de deux sortes d'électricité, vitrée (positive) et résineuse (négative). En 1745, Petrus Van Musschenbroek découvre la condensation électrique en inventant la bouteille de Leyde, qui permet d'augmenter considérablement les effets des étincelles, tandis que Benjamin Franklin remarque le pouvoir des pointes et l'applique à la protection contre la foudre (paratonnerre). C'est à Charles de Coulomb que l'on doit les premières études quantitatives. Il montre que les répulsions et attractions électriques sont inversement proportionnelles au carré de la distance (1785) et il découvre que l'électrisation des conducteurs est superficielle. Les résultats expérimentaux de Coulomb, retrouvés analytiquement par Pierre Simon Laplace, Jean-Baptiste Biot, Carl Gauss et Siméon Poisson, et la théorie de l'influence de Michael Faraday marquent le couronnement de l'électrostatique.
Électrocinétique
Luigi Galvani ayant montré en 1790 que le contact de deux métaux différents produit des contractions dans les muscles d'une grenouille, Alessandro Volta en attribue la cause à l'électricité engendrée par le contact des deux métaux, ce qui le conduit, en 1800, à la découverte de sa pile. Cet appareil permet à William Nicholson et à Anthony Carlisle de décomposer l'eau au cours de la même année. En 1801, Louis Thenard montre que le courant électrique peut porter à l'incandescence un fil métallique. En 1807, Humphry Davy isole par électrolyse les métaux alcalins et découvre l'arc électrique. Pour remédier à la polarisation des piles, on a recours aux piles à dépolarisant (Poggendorff, 1842 ; Grove, 1839 ; Leclanché, 1867) ou aux piles à deux liquides (Becquerel, 1829 ; Daniell, 1836 ; Weston, 1893).
La loi d'Ohm, énoncée en 1827, est étendue dix ans plus tard, par Claude Pouillet, à un circuit fermé. Rudolf Kohlrausch définit la résistivité ; Gustav Kirchhoff fixe la répartition des courants dans un circuit comportant des dérivations ; M. Faraday donne en 1833 les lois quantitatives de l'électrolyse, phénomène expliqué plus tard par Svante Arrhenius, et James Joule étudie les effets thermiques des courants. La conception des accumulateurs est due en 1859 à Gaston Planté, celle du four électrique à Henri Moissan et celle de la lampe à incandescence à filament de carbone à Thomas Edison (1879).
Électromagnétisme
C'est en 1820 que Hans Christian Œrsted découvre qu'une aiguille aimantée, placée à proximité d'un fil métallique parcouru par un courant, est déviée de sa position d'équilibre. J.-B. Biot et Félix Savart mesurent le champ magnétique produit. P. S. Laplace induit de ces résultats la loi élémentaire, et André Marie Ampère, en 1822, la loi d'ensemble du phénomène. Ces deux physiciens étudient l'action réciproque des champs magnétiques sur les courants, et Ampère, assimilant un solénoïde à un aimant, crée la théorie de l'électrodynamique, à laquelle Maxwell donne en 1861 une forme générale. Le galvanomètre de William Thomson date de 1851 et l'appareil à cadre mobile de Marcel Deprez et de Jacques d'Arsonval est construit en 1882.
C'est M. Faraday qui montre la possibilité de transformer en énergie électrique le travail mécanique grâce à sa découverte des phénomènes d'induction (1831). En 1833, Heinrich Lenz établit la loi qui donne le sens du courant induit ; Léon Foucault démontre en 1855 l'existence des courants qui portent son nom. Joseph Henry publie en 1832 un mémoire sur l'auto-induction.
James Clerck Maxwell publie, en 1873, son Traité d'électricité et de magnétisme, véritable fondement de l'électromagnétisme moderne. George Francis Fitzgerald montre, en 1883, qu'une variation périodique rapide du courant dans un circuit engendre des rayonnements électromagnétiques. En 1887, Heinrich Hertz utilise un détecteur de sa construction pour montrer que ces ondes électromagnétiques ont des propriétés analogues à celles de la lumière, ouvrant ainsi la voie à la radioélectricité et, à partir de 1904, à l'électronique.
Aspect microscopique de l'électricité
Les travaux de M. Faraday sur l'électrolyse avaient, en 1833, introduit comme « unité naturelle » de charge électrique celle des ions, qui assurent le passage du courant dans les solutions électrolytiques. Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz, Joseph John Thomson, S. Arrhenius et Walther Hermann Nernst proposent ensuite la notion d'« atome d'électricité », mais c'est Jean Perrin qui, en 1895, met en évidence l'existence des électrons. La charge de l'électron est mesurée en 1911 par Robert Millikan, alors que la masse des atomes et des ions est fournie par le spectrographe de masse de J. J. Thomson et Francis William Aston. À partir de la théorie de la relativité restreinte et du quantum de lumière, ou photon, Louis de Broglie découvre la mécanique ondulatoire, qui, complétée par Arnold Sommerfeld, Erwin Schrödinger et Werner Heisenberg, intervient efficacement dans le développement de la physique des solides, dont les applications sont à l'origine de l'essor actuel de l'électronique et, à un degré moindre, de l'électrotechnique.
Les principales lois de l'électricité
Électrostatique
L'arrachement d'électrons produit par frottement d'un matériau permet son électrisation. Les charges électriques ainsi créées sont localisées à l'endroit frotté si le matériau est isolant, mais se répartissent sur toute la surface du matériau s'il est conducteur.
Entre deux charges électriques q1 et q2 séparées par une distance r s'exerce la force de Coulomb :
(
; ε0 est la permittivité du vide). Cette force, dirigée selon la droite joignant les deux charges, est attractive si les charges sont de signes contraires, répulsive si elles sont de même signe.
Si une charge q placée en un point est soumise à une force
, le champ électrique est défini en ce point par :
.
VA et VB étant les potentiels électriques des points A et B où règne un champ électrique uniforme
, le travail de la force appliquée sur une charge q se déplaçant de A à B est : WAB = q (VA − VB).
Un condensateur est constitué par deux conducteurs séparés par un isolant. Si U est la tension entre les conducteurs et Q la charge accumulée par le condensateur, sa capacité est définie par : C = Q/U. L'énergie emmagasinée est :
.
Électrocinétique
Courant continu
Dans un électrolyte, le courant est dû à un déplacement d'ions. Au cours d'une électrolyse, la masse de cation (ion positif) libérée à la cathode est donnée par la formule de Faraday :
, A étant la masse atomique de l'ion, n sa valence, i l'intensité du courant et t la durée de l'électrolyse.
Dans un solide conducteur, le courant est dû à un déplacement d'électrons. Si la charge q traverse une section donnée du conducteur pendant le temps t, l'intensité du courant est : i = q/t.
La résistance d'un conducteur est définie par ρ ls/, où ρ est la résistivité du conducteur, l sa longueur et s sa section.
Si U est la tension aux bornes d'une résistance R traversée par un courant i, la loi d'Ohm affirme que U = R i.
L'énergie dissipée, pendant un temps t, par effet Joule dans cette résistance est : W = R i2t.
La résistance équivalente à n résistances placées en série est : R = R1 + … + Rn.
La résistance équivalente à n résistances placées en dérivation est donnée par :
.
Courant alternatif
En courant alternatif, l'intensité et la tension sont des fonctions sinusoïdales du temps :
où im et vm sont les valeurs maximales de l'intensité et de la tension, ϕ est le déphasage de l'intensité sur la tension et ω (exprimé en rad/s) est la pulsation du courant. Sa fréquence f est définie par f = ω/2π.
L'intensité et la tension efficaces sont données par :
;
.
La puissance apparente est donnée par : Pa = VI ; la puissance active, par : P = VI cos ϕ ; la puissance réactive, par : Pr = VI sin ϕ.
Dans un circuit-série comprenant une résistance R, une bobine d'inductance L et un condensateur de capacité C, la loi d'Ohm s'écrit : U = Z.I, où Z est l'impédance (en Ω) :
.
Électromagnétisme
Un aimant possède deux pôles (nord et sud) ; deux pôles de même signe se repoussent ; deux pôles de signes contraires s'attirent.
Un aimant placé dans un champ magnétique d'induction
uniforme est soumis au couple
,
étant le moment magnétique de l'aimant et θ l'angle entre
et
.
Un fil rectiligne de longueur d l parcouru par un courant i et placé dans un champ magnétique d'induction
subit une force électromagnétique : f = B i d l sin α, où α est l'angle entre
et la direction du fil (formule de Laplace).
Le flux d'un champ magnétique uniforme
à travers une surface S est : ϕ = B.S.cos α, où α est l'angle de
avec la normale
à S.
Un fil rectiligne de longueur d l parcouru par un courant i crée, à la distance r, un champ magnétique d'induction
(μ0 est la perméabilité du vide).
Un courant induit apparaît dans un circuit quand : on déplace ou déforme le circuit dans un champ magnétique uniforme ; on fait varier le champ magnétique, le circuit étant mobile.
Une variation de flux dϕ pendant un temps d t crée une force électromotrice induite
(loi de Faraday).
Un circuit parcouru par un courant i envoie à travers lui-même un flux ϕ = L i, L étant l'inductance propre du circuit.
Un circuit parcouru par un courant i possède une énergie électromagnétique
.
Production et consommation de l'électricité
La production et la consommation mondiales d'électricité se situent aux environs de 13 000 TWh (1 535 seulement en 1955 et à peine 5 000 en 1970). Tous les pays ou presque produisent de l'électricité, mais un petit nombre d'entre eux en fournit la majeure partie : plus de 25 % encore pour les États-Unis (à la part toutefois décroissante), 20 % pour l'ensemble de l'Europe occidentale, près de 8 % pour le Japon, 6 % pour la Russie. L'électricité n'étant pas stockable et les échanges internationaux encore réduits, la géographie de la consommation se calque sur celle de la production, influencée par le niveau de vie moyen et aussi par le développement et la structure de l'industrie, parfois grande utilisatrice (aluminium).
L'origine de la production varie selon les ressources nationales et les politiques énergétiques. Le thermique dit classique (centrales au charbon, au fuel, au gaz) demeure globalement prépondérant, assurant environ 65 % de la production totale. Près de 20 % sont d'origine hydraulique et 18 % sont d'origine nucléaire. Celle-ci, apanage souvent encore des pays développés, revêt localement une plus grande importance : environ 30 % de la production totale d'électricité au Japon et en Grande-Bretagne et, surtout, environ 75 % en France.
Les réseaux, actuellement commandés par des dispatchings, sont reliés par des postes d'interconnexion et de transformation ; on distingue en France : 1° les réseaux de transport, à très haute tension (T.H.T., comprise entre 225 kV et 400 kV) ; 2° les réseaux de répartition, à haute tension (H.T., de 45 à 90 kV) ; 3° les réseaux de distribution, à moyenne tension (M.T., de 3 à 30 kV) ; 4° les réseaux à basse tension (B.T., 220/380 V).
