Électricité

L'électricité est un phénomène physique lié à la matière.
Les électrons sont des particules qui entrent dans la composition des atomes. Dans certains matériaux comme les métaux, les électrons les plus éloignés du noyau de l'atome peuvent se déplacer d'un atome à l'autre. Ces flux d'électrons, par analogie au courant d'une rivière, ont été nommés courant électrique. L'électricité est l'un des moyens les plus utilisés de transmettre de l’énergie.

Pylône de transport d'électricité à haute tension

Un circuit électrique transporte de l'énergie fournie par un générateur vers un récepteur qui convertit l'énergie électrique en une autre forme d'énergie : énergie mécanique (mouvement) grâce à un moteur mis en jeu par l'interaction électromagnétique, énergie thermique (chaleur) ou même énergie chimique pour transformer des matériaux (par exemple, produire des métaux à partir de minerai). De son côté, un générateur fait l’inverse : c'est un objet qui transforme une forme d'énergie quelconque (solaire, chimique, thermique, etc.) en énergie électrique.

Les charges électriques sont présentes dans certains composants de la matière. Il existe deux types de particules chargées :

• le proton, qui a une charge positive, se trouve dans le noyau des atomes ;
• l’électron a une charge négative (opposée) et se trouve autour du noyau atomique. Selon le matériau (dans les métaux ou dans l’eau, par exemple), une partie des électrons peut circuler librement, ce qui permet donc qu'il y ait un déplacement d’électrons, c’est-à-dire un courant électrique.

L’étude des phénomènes électriques s’appelle :

• électrostatique quand les charges sont immobiles par rapport à leur environnement ;
• électrodynamique quand elles se déplacent.

Le courant électrique se transmet très vite : plusieurs milliers de kilomètres par seconde. Pourtant, les électrons (qui sont son support), eux, n'avancent pas très vite : ils s’agitent beaucoup, mais en faisant de minuscules allers et retours autour de leur position et, par conséquent, ils n’« avancent » en moyenne que de quelques centimètres à quelques mètres par seconde ! La propagation du courant est néanmoins possible car ces électrons se poussent et se cognent les uns les autres, et l’énergie qu’ils transportent se propage à travers ces chocs ; de la même façon, si l'on tire brusquement sur une longue corde déjà tendue, le coup va se sentir à l'autre bout beaucoup plus vite que la corde aura avancé.

L’électricité est un moyen très pratique et très important dans notre société pour transporter l'énergie nécessaire à de nombreuses utilisations : éclairage, appareils ou machines comportant un moteur électrique, électronique, ou appareil de chauffage.

Production d'électricité

Produire de l'électricité consiste à utiliser une autre forme d'énergie, pour la transformer en énergie électrique. Plusieurs sortes d'énergie sont actuellement utilisées pour la production d'électricité.

• L'énergie solaire peut être captée par des panneaux solaires et être transformée en électricité. C'est Albert Einstein qui a expliqué ce phénomène, ce qui lui a valu de recevoir le prix Nobel. Le rendement des panneaux solaires est encore faible, et le coût de production des panneaux est encore trop cher pour que cette source d'énergie soit utilisée à grande échelle. La quantité d'électricité produite dépend aussi beaucoup de l'ensoleillement.

• L'énergie thermique, produite grâce à l'énergie contenue dans le charbon ou le pétrole (énergie chimique) permet de chauffer de l'eau et de créer de la vapeur sous pression dans les centrales thermiques. Cette vapeur va faire tourner des turbines, et comme pour les barrages, servira à produire de l'électricité. Ces centrales thermiques sont polluantes, et nécessitent du pétrole ou du charbon n'ont pas un rendement très élevé. Le pétrole et le charbon sont des énergies fossiles, c'est-à-dire qu'il faut les extraire du sol et ne sont donc pas inépuisables.

• L'énergie nucléaire : dans les centrales nucléaires, c'est l'énergie contenue dans la matière qui permet de chauffer l'eau ; la production d'électricité est analogue à celle des centrales thermiques. Ces centrales peuvent être dangereuses pour l'environnement en cas de problème (cas de la centrale de Tchernobyl), mais elles font tout de même partie des énergies propres (non polluantes). Elles nécessitent une technique très difficile à maîtriser et l'utilisation de minerai d'uranium, qu'il faut enrichir. Les déchets radioactifs produits seront radioactifs pendant des centaines de millions d'années. Enfin, ces centrales permettent de produire du plutonium à partir d'uranium, ce qui permet en théorie de construire une bombe atomique.

• L'énergie hydraulique est utilisée dans les barrages hydroélectriques, l'eau retenue par le barrage est amenée à s'écouler à travers un conduit au bout duquel se trouve une turbine. La rotation de la turbine (énergie mécanique) permet, à l'aide d'un générateur, de produire de l'électricité. Les centrales hydroélectriques ne sont pas polluantes et ne nécessitent que la construction d'un barrage. La possibilité de produire des barrages dépend des cours d'eau contenus dans le pays (fleuves, rivières, torrents). En France, pratiquement partout où il était possible de construire un barrage, il a été construit. Il n'est plus possible d'augmenter le nombre de barrages importants.

Éoliennes

• L'énergie éolienne (produite par le vent), permet de faire tourner des immenses hélices reliées à des générateurs produisant de l'électricité. Le principal inconvénient provient du fait que ces immenses hélices ne sont pas très esthétiques et qu'il faut les placer dans des endroits où il y a du vent toute l'année. Certains pays en ont placé dans des endroits désertiques, des mers.

• L'énergie musculaire, donc chimique, permet aussi de produire de l'électricité. Dans certains vélos, une dynamo est couplée à une des roues et permet de transformer l'énergie de rotation de la roue en une énergie électrique qui permet d'allumer une ampoule.

Il faut noter que l'électricité peut difficilement se stocker, à la différence des autres formes d'énergie. La production doit donc être égale à la consommation. On ne peut pas produire de l'électricité à l'avance.

Avantages et défauts

Tous les systèmes qui produisent de l'énergie électrique ont leurs avantages et leurs défauts. Certains sont très polluants alors que d'autres ne le sont pas, on parle alors de sources d'énergie propres. Certaines sources d'énergie sont dites renouvelables (sources d'énergie qui ne s'épuisent jamais) alors que d'autres sont des sources d'énergie épuisables. L'utilisation de certaines sources d'énergie est parfois très coûteuse. Enfin, certains systèmes peuvent produire une très grande quantité d'énergie électrique.

• Sources d'énergie renouvelables : éolienne, centrale hydraulique, effort musculaire, panneaux solaires.
• Sources d'énergie propres : éolienne, panneaux solaires, piles à combustible.
• Sources d'énergie sans émission de gaz carbonique  : les sources d'énergie propres et les centrales nucléaires (bien qu'elles génèrent des déchets radioactifs).
• Production d'énergie importante : centrales nucléaires (85,8% de la production d'électricité en France), centrales thermiques, certaines centrales hydrauliques.

Distribution de l'électricité

Grâce à un réseau de câbles conducteurs, l'électricité est distribuée dans les maisons, les usines, partout où un appareil électrique existe. Pour faciliter le transport depuis les lieux de production, des lignes à haute tension existent. La tension y est de plusieurs centaines de milliers de volts. Ce sont de véritables autoroutes pour l'électricité. La tension électrique existant entre les conducteurs de ces lignes est convertie plusieurs fois dans des transformateurs. La valeur de la tension utilisée par les particuliers est 230 volts, en France et dans l'Union européenne, ou de 110 volts aux États-Unis et dans quelques autres pays.

Importance de l'électricité

Autrefois, pour répartir l'énergie dans un atelier ou une usine, on utilisait des systèmes mécaniques, principalement des poulies et des courroies ce qui provoquait souvent des accidents. De plus, l'énergie ne se transportait pas loin. C'est pourquoi ces ateliers et ces usines étaient construits proches des sources d'énergies : aux bords des cours d'eau ou encore proches des sources de combustibles qui permettaient de faire fonctionner des machines à vapeur comme les grandes forêts ou les mines de charbon. L'électricité permet de transporter l'énergie sur de longues distances avec des pertes assez faibles.

Certains métaux, comme l'aluminium, ne peuvent être produits que par électrolyse c'est-à-dire grâce à l'électricité.

Notre monde moderne est très dépendant de l'électricité. Pour s'en convaincre, il faut essayer d'imaginer ce que serait une journée sans lumière électrique, sans train électrique, sans ascenseur, sans air conditionné (dans les pays chauds), sans usine... Avoir de bonnes sources d'électricité est un souci de première importance pour tous les gouvernements du monde.

Mais c'est surtout le développement de l'électronique qui a rendu l'électricité difficilement remplaçable en permettant notamment les télécommunications à grande distance et la constructions d'ordinateurs.

Grandeurs et unités

Pour étudier l'électricité ou travailler sur ses applications, on se sert de plusieurs grandeurs et unités :

• l'énergie qui se mesure en joules (J) selon le système métrique, et plus souvent en kilowatts-heures (kW.h) ;
• la puissance, qui se mesure en watts (W) ;
• la tension électrique, qui se mesure en volts (V) (pour la tension, on dit parfois de voltage, terme importé de l’anglais) ;
• l’intensité électrique, qui se mesure en ampères (A) ;
• la charge électrique, qui se mesure en coulombs (C) ;
• la résistance électrique, qui se mesure en ohms (Ω) ;
• la capacité électrique, qui se mesure en farads (F) et permet de caractériser un condensateur ;
• l’inductance, qui se mesure en henrys (H) et permet de caractériser une bobine.

Selon le domaine étudié, on peut trouver plus souvent des multiples de ces unités : milliampères (mA), microfarads (µF), mégawatts (MW), etc.

Dates importantes des découvertes sur l'électricité

L'électricité existe depuis longtemps : comme par exemple la foudre, ou l'électricité statique qui est connue depuis l'Antiquité. Mais on a mis beaucoup de temps à comprendre son fonctionnement, qu'après la découverte de la méthode scientifique.

L'électricité fut une révolution scientifique et technologique essentielle, utilisée sans cesse dans notre vie actuelle.

L'électricité statique fut étudiée vers 1760 par Benjamin Franklin, mais surtout par Coulomb avec la découverte des charges positive (« + ») et négative (« - »). Grâce à cette découverte, les premières machines électrostatiques apparurent, créant et stockant l'électricité, vers 1780. L'étude de faits « bizarres » comme contraction de muscles des grenouilles par Luigi Galvani pendant 20 ans, a conduit Volta à imaginer sa pile de Volta.

En 1800, est officialisée l'invention de la première pile électrique par Alessandro Volta. En 1821, Michael Faraday réalise un appareil faisant tourner un petit objet avec de l'électricité, qui est un ancêtre des moteurs électriques.

Oerstedt découvre en 1820 qu'un courant dévie une boussole parce qu'un courant électrique crée un champ magnétique. Puis en 1830, Michael Faraday découvre la loi d'induction : un champ magnétique variable crée une tension électrique.

Alors commence à exister les moteurs, alternateurs et dynamos, très rudimentaires et perfectionnés après 1880.

En 1865, tous les phénomènes découverts furent ainsi étudiés et résumés dans les équations de Maxwell, qui alors découvre aussi que la lumière est un effet électrique. En 1887 Hertz découvre les ondes radio et micro-ondes, aidé par ces équations.

En 1905, Einstein découvre la relativité cachée dans l'électricité, car la loi d'induction est un effet relativiste.

Par la suite, toujours au XIX^e siècle, il y a eu des progrès très importants, et à la fin de ce siècle 1890, on commençait à installer des lignes de chemin de fer électrifiées.

• Antiquité : le savant grec Thalès fait plusieurs observations sur l'électricité et le magnétisme.
• 1760 : Benjamin Franklin invente le paratonnerre.
• Vers 1780 les premières machines électrostatiques produisent l'électricité.
• 1800 : Alessandro Volta invente la pile électrique.
• 1830 : Michael Faraday avec sa loi d'induction permet de réaliser la première dynamo et le premier moteur électrique
• 1879 : Thomas Edison invente la lampe à incandescence.
• Années 1880 : les premières lignes électriques font leur apparition.
• À partir de 1900 : l'électricité entre dans la vie courante.

		Le savais-tu ?
	De l'électricité dans le corps
Tous les animaux et les êtres humains produisent de l'électricité pour transmettre des informations (par les nerfs) aux muscles !

Article mis en lumière la semaine du 7 mai 2007, la semaine du 25 juin 2007.

Portail de l'électricité —  L'électricité, son histoire, son utilité, tout sur l'électricité.