Généralités

1-La conductibilité électrique
- Conducteurs métalliques.

Nous savons que dans un métal, une partie des électrons de chaque atome constitue une sorte de gaz électronique et que ces électrons sont relativement libres de se déplacer dans le métal. En électrostatique, c'est à dire lorsque le potentiel du métal est uniforme, le champ électrique macroscopique est nul et les électrons ont des déplacements moyens nuls. Chaque électrons à un mouvement d'agitation désordonné au cours duquel il heurte des ions positifs, mais cet électrons en moyenne reste au même point (ou plus exactement le barycentre d'un grand nombre d'électron reste fixe). Si on établit un champ électrique,chaque électron est sollicité par une force en sens inverse de ce champ, et à son mouvement d'agitation désordonné s'additionnera un mouvement en sens inverse d ce champ. Si bien que globalement,on peut faire abstraction du mouvement d'agitation et considérer que tous les électrons en un mouvement en sens inverse du champ appliqué. C'est ce déplacement global qui constitue le courant électrique.
Dans un bon conducteurs te que l'argent, la densité moyenne du nuage électronique est de l'ordre de 9600C/mm3.Un courant intense correspond à un débit de 5ampères par mm² de section, soit 5 coulombs par seconde et par mm². La vitesse est donc égale à 5/9,6=0,5mm/s.
Un conducteur parcouru par un courant est donc analogue à un tube parcouru par un lent courant gazeux. Les vitesses d'agitation des électrons est très supérieure en moyenne à la vitesse du mouvement d'ensemble .

- Semi-conducteurs.

On appelle semi-conducteurs certains corps qui, à l'état très pur, conduisent très mal le courant électrique parce qu'il possèdent très peu d'électrons libres, alors que la concentration de ceux-ci est très grande dans les métaux. Considérons, par exemple, le germanium qui est un élément placé, dans la classification périodique, dans la colonne du carbone. Le cristal du germanium à la même structure que celui du diamant. La cohésion du cristal est du à des liaisons de covalence et on peut dire que Les électrons utilisés par la covalence ne sont pas susceptibles de déplacements importants . Ce pendant si la température s'élève, par suite de l'agitation thermique, une faible proportion d'électron (un sur 10000 à 100000) acquirent une énergie suffisante pour quitter la covalence et devenir libres de se déplacer, comme dans un métal. Par suite , à température élevée, les semi-conducteurs conduisent mieux le courant électrique qu'à froid.

- Les isolants

Tous les isolants utilisés en pratique se caractérisent par une très forte résistivité. En outre on distingue des isolants d'origine minérale et ceux d'origine organique. Les isolants solides naturels d'origine minérale sont représentés par les céramiques, les verres, les micas, le quartz, l'amiante. Les isolants solides d'origine organique sont les résines, les vernis, les matières plastiques, les caoutchoucs, les fibres. Les isolants liquides comprennent les huiles naphténiques, les silicones liquides, des liquides organofluorés, des hydrocarbures chlorés. Les plus fréquemment utilisés d'entre les isolants gazeux est l'air.
Dans l'espace entre des conducteurs chargés règne un champs électrique. Les charges électriques déplacées dans ce champs sont soumises a des forces mécaniques bien déterminées en grandeur et en direction que l'on appelle forces de champ Le champs électrique lui même n'est qu'un cas particulier d'un champs électromagnétique. Quand les charges électriques qui produisent un champs sont fixés, ce champs est dit électrostatique.
Dans l'espace où a été engendré un champ électrique, il se produit, sous l'action de l'intensité de ce champs, un déplacement électrique D. Dans les molécules de certains diélectrique les noyaux positifs des atomes se déplacent dans un sens et les orbites des électrons dans le sens opposé. Dans d'autres diélectriques, les molécules contiennent des charges positives et négatives spatialement éloignées l'une de l'autre (que l'on appelle dipôles);dans de tels diélectriques le champs électrique provoque une rotation des dipôles. Les déplacement des charges et la rotation des dipôles représente une polarisation des diélectrique.
Si une plaque de diélectrique est placée entre deux plaques conductrices soumises à une tension U, La polarisation du diélectrique fait apparaître sur sa surface orientée vers le conducteur chargé positivement (relié au pôle positif de la source de tension) une charge négative liée, et sur sa surface opposée, une charge positive liée. Ces charges sont dites liées parce qu'elle ne pouvant pas se déplacer librement. IL font partie des molécules neutres du diélectrique. Si le champs électrique extérieur et supprimé, les charges liées disparaissent, et le diélectrique devient non polarisé.
Le déplacement électrique D est une grandeur vectorielle. Dans tous les diélectriques isotropes , c'est à dire des propriétés physiques uniformes dans toutes les direction, le vecteur D a la même direction et le même sens que le vecteur intensité du champ électrique E :
D = cte. E
Où cte est la permittivité absolue ou constante diélectrique absolue du milieu. Elle dépend des propriétés du milieu qui est le siège d'un champ électrique.
La rigidité diélectrique Ecl d'un isolant est la plus faible valeur de l'intensité du champ électrique pour laquelle cet isolant commence être rompu. Le claquage d'un isolant peut se produire sous la forme d'un processus thermique ou d'un processus purement électrique.
Le claquage thermique : l'échauffement de l'isolant par le courant électrique provoque une réduction de sa résistance parce que le coefficient de température de résistances des diélectriques solides est négatif. L'élévation de la température et donc l'augmentation plus grande du courant de fuite peut se poursuivre jusqu'à la destruction thermique de l'endroit affaibli de l'isolant : carbonisation, fissuration, ou la fusion.
Le claquage électrique : celui ci résulte de l'action directe d'un champ électrique suffisamment intense sur les ions de l'isolant. Sous l'action des forces du champ ces ions acquièrent des vitesses si grandes qu'entrant en collision avec les molécules de l'isolant ils provoquent leur ionisation. Il en résulte une croissance en avalanche du courant électrique qui détruit l'isolant.

2- Le courant électrique

Pour faire circuler un courant électrique on doit établir un circuit électrique constitué de conducteurs de l'électricité.Pour entretenir le courant électrique on doit mettre en œuvre une source d'énergie électrique (source de force électromotrice, f.e.m. en abrégé qui transforme en énergie électrique une énergie d'une autre nature . Ainsi l'énergie électrique est produite dans les générateurs électromécanique par la transformation de l'énergie mécanique , dans les piles et les accumulateurs électriques , à partir de l'énergie des réactions chimiques.
Le courant électrique n'étant pas perceptible à l'homme, on juge de sa présence par des phénomènes qui l'accompagnent. Ces phénomènes peuvent être observés à l'aide de divers récepteurs d'énergie électriques
Pour caractériser quantitativement le courant on se sert de la grandeur I appelée intensité du courant électrique et déterminée par la quantité de charge électrique transportée en unité de temps par la section transversale du conducteur:
I =dq / dt.
dt est un intervalle de temps élémentaire au cours duquel la section du conducteur est traversée par une quantité d'électricité élémentaire dq .
Dans le système international l'unité de mesure du courant électrique est l'ampère (symbole: A).

3-Intensité du champ électrique . Tension électrique
Lorsqu'un conducteur es relié aux bornes d'une source d'énergie, il devient le siège d'un champs électrique qui agit sur les charges électriques en les faisant déplacer, c'est à dire en faisant circuler un courant électrique :
F =| q| x E
E est l'intensité du champ électrique et F l'intensité de la force exercée sue la charge électrique.
La tension électrique est numériquement égale au travail accomplie lors du déplacement d'une unité de charge électrique positive ( d'un coulomb) entre deux points ( par exemple entre les bornes d'une source d'énergie électrique ) :
U = W / q
Dans le système international, l'unité de tension électrique est le volt ( symbole : V) .
La tension électrique caractérise en fait la dissymétrie électrique entre deus points du conducteurs électrique.
L'appareil servant à la mesure des tensions, nommé voltmètre, est branché entre les deux points entre lesquels on désire mesurer la tension.
Résistance électrique . Conductance.
Le mouvement de translation des électrons qui se déplacent sous l'action du champ électrique est freiné par suite des collisions des électrons avec les atomes et les molécules du conducteur. La fréquence des collisions dépend de la structure du matériau conducteur et de sa température. La propriété d'un conducteur de s'opposer plus ou moins au mouvement ordonné des charges électriques, c'est à dire au passage du courant électrique, est appelée résistance électrique.
La loi d'Ohm exprime la dépendance quantitative entre l'intensité du courant, la tension et la résistance. Suivant cette loi, la résistance d'une portion du circuit ne comportant aucune source d'énergie est proportionnelle à la tension U appliquée entre ses extrémités et inversement proportionnelle à l'intensité du courant I qui y circule:
R = U / I
La résistance est mesuré en ohms.

4- Puissance électrique.
Pour pouvoir caractériser les conditions énergétiques, il importe de connaître la vitesse à laquelle est effectué le travail. Le travail effectué en unité de temps s'appelle puissance :
P = W / t = U x I
La puissance électrique fournie par la source d'énergie à une résistance R est égale à :
P=R x I²
Cette puissance est totalement dissipée sous forme de chaleurs au profit du milieu extérieur dans le cas d'une résistance pure .
L'unité de puissance est le watt (W).
Le wattmètre, appareil servant à la mesure des puissances, comporte deux circuits de mesure (deux bobines) dont l'un (circuit de courant) est monté, de même qu'un ampèremètre, en série avec l'objet à mesurer (Ch), et l'autre (circuit de tension) est monté en parallèle entre les bornes, comme un voltmètre.

5- Lois de Kirchhoff.
-La première loi de kirchhoff

C'est une loi pour les courants, que l'on appelle encore loi des dérivations ou des sommets. Suivant cette loi, la somme des intensités des courants qui se dirigent vers un sommets quelconque du circuit électrique est égale à la somme des intensités des courants qui s'en écartent :
I1 + I2 = I.
-La deuxième loi de Kirchhoff

Loi que l'on appelle encore loi des circuits fermés (ou des mailles) (fig.6). Suivant cette loi, la somme des algébrique des f.e.m prise le long d'un circuit fermé quelconque est égale à la somme algébrique des tensions aux bornes des résistances constituant ce circuit :
E1 + E2 = R1I1 + R2I2.

6- Echauffement des conducteurs par un courant électrique.
Dans un circuit électrique, la résistance joue un rôle pareil à celui de la friction dans un système mécanique. Les résistances sont le siège d'une transformation irréversible de l'énergie électrique en énergie calorifique. Une telle transformation est liée à des collisions entre les électrons libres et les atomes lors de leur mouvement de translation qui constitue le courant électrique. Au cours de telles collisions, les électrons communiquent aux atomes du conducteur (aux ions positifs dans les métaux ) une énergie supplémentaire qui renforce les vibrations des ions positifs dans les nœuds d'un réseau cristallin.
La quantité de chaleur Q 'exprimée en Joule), produite par un courant d'intensité I dans un conducteur de résistance R pendant le temps t est telle que :
Q = R I² t
Cette formule traduit la loi de Joule-Lenz.

7- Courts-circuits et surcharges. Protection thermique.
On appelle court-circuit la mise en contact fortuite de deux ou plusieurs conducteurs d'un circuit par une résistance de valeur négligeable ou très faible, par exemple, le contact entre deux fils nus d'une ligne aérienne, ou entre les spires à travers des isolants détériorés par suite du vieillissement, de l'usure, de la chaleur, etc. Le court-circuit provoque une brusque croissance du courant et donc du dégagement d'une grande quantité de chaleur dans les conducteurs, car l'action thermique du courant est proportionnelle à son intensité. L'échauffement anormal qui en résulte peut provoquer une incendie. Dans les villes, une grande partie des incendies sont dues aux court-circuit de distribution d'énergie électrique.
Lorsque le court-circuit se produit aux bornes de la source d'énergie, le courant de court-circuit Icc n'est limitée que par la résistance interne de cette source : Icc = E / r . Dans les systèmes électro-énergetiques, les courants de court-circuit peuvent atteindre des centaines de milliers d'ampères et la coupure de telles intensités exige d'utiliser des appareils spéciaux. Quand aux réseau d'éclairage des immeubles d'habitation, dont la tension est basse et la résistance des fils relativement grande, les courants de court-circuit ne dépasse pas en général 30 à 100 A.
Vue le risque d'incendie, il importe de couper les courants de court-circuit dans le délai le plus réduit. Le procédé l plus simple d'interrompre ces courants est basé sur l'utilisation de l'effet thermique de ces courants. Les appareils de protection fonctionnant selon ce principe sont des coupe-circuit à fusibles et des relais thermiques.

8- Electromagnétisme. Induction électromagnétique.
- Champ magnétique.
Le courant électrique parcourant un conducteur produit dans l'espace environnant un champ magnétique.

Ce champ peut être décelé par plusieurs phénomène:
Le champ magnétique agit sur une aiguille aimantée qui tend à se placer perpendiculairement au conducteur parcouru par un courant .
Le champ magnétique agit sur la limaille saupoudrée et l'agglomère en lignes concentriques centrées sur le conducteur.

-Flux magnétique.

Le flux magnétique caractérisent la façon avec laquelle les lignes de champ magnétique traversent un circuit électrique. Le flux magnétique est maximal en valeur absolue si les lignes de champ arrivent normalement (perpendiculairement) au circuit électrique, mais il est nul si ces lignes de champ arrive tangentiellement au circuit électrique.
Dans le système international, le flux magnétique est mesuré en webers (Wb).
-induction électromagnétique.

La force électromotrice induite dans un circuit électrique (une bobine, par exemple) s'exprime par la loi de Faraday-Lenz : la force électromotrice induite dans un circuit électrique est égale à l'opposé de la dérivée première par rapport au temps du flux magnétique traversant ce circuit.
Une variation du courant dans une bobine entraîne une variation du flux embrassé par une autre bobine et par conséquent l'apparition d'une force électromotrice d'induction dans cette dernière.
La caractéristique principale d'un champ magnétique est l'induction magnétique B. l'induction magnétique dépend des propriétés magnétique du milieu dans lequel est crée le champ magnétique. Le quotient de l'induction magnétique par l'intensité du champ magnétique est appelé perméabilité magnétique absolue. La perméabilité magnétique du vide = 4 pi 10-7 H/m.
L'induction magnétique est mesurée en teslas (T) Le flux magnétique est mesurée en webers (Wb).