Généralités
Un circuit électrique est composé de différents éléments ; générateur, récepteur, fils de liaisons, interrupteur sont essentiels au fonctionnement d'un circuit :
le générateur est la source d'énergie ;
l'interrupteur permet au générateur de libérer l'énergie ;
les fils de liaison véhiculent l'énergie ;
le récepteur convertit l'énergie en exploitant les effets du courant électrique.
Le générateur et le récepteur possèdent deux bornes de connexion (liaison), ce sont des dipôles.
On distingue deux branchements possibles :
dipôles en série (la sortie de l'un est reliée à l'entrée du suivant) ;
dipôles en parallèle ou en dérivation (entées reliées, sorties aussi).
Dans un circuit fermé plus complexe, on distingue alors :
Le circuit ci-contre possède 5 dipôles ; les dipôles 1, 2 et 3 sont en série pour former une branche, les dipôles 4 et 5 sont en parallèle. Le circuit ainsi formé comporte deux nœuds (A et B), trois branches et trois mailles. |  Circuit |
Courant électrique
Charge électrique
Les charges électriques peuvent revêtir différentes formes :
charges élémentaires : électrons
, protons
atomes chargés ou ions : positifs (cations) s'ils portent moins d'électrons que de protons, négatifs (anions) s'ils portent plus d'électrons que de protons
corps chargés : la charge est due à un déséquilibre entre les populations d'électrons et de protons
Modèle de l'atome : conducteurs, isolants, semi-conducteurs
 atome de cuivre | Ci-contre la représentation de l'atome de cuivre, de numéro atomique 29 : cela signifie que le noyeau possède 29 protons chargés positivement, et que 29 électrons tournent autour de ce noyau. Les électrons se rassemblent en couches : 2 pour la première, 8 pour la deuxième, 18 pour la troisième. La quatrième couche ne possède donc qu'un seul électron, qui de ce fait est peu attaché à l'atome. |
le nombre maximum d'électrons que peut contenir chaque couche est le même pour tous les atomes (2, 8, 18, 32, 32, etc...).
un atome est dans son état le plus stable si le nombre d'électrons associé à chaque noyau remplit complètement les sous-couches de la structure orbitale.
s'il subsiste peu d'électrons sur la couche externe, une faible attraction retient ces électrons en orbite, ils peuvent facilement quitter l'atome et le transformer en ion positif. C'est le cas des métaux.
si les atomes sont très proches, comme dans les métaux qui adoptent une configuration cristalline, ces électrons peuvent circuler pratiquement librement d'un atome à un autre et forment un « gaz » d'électrons.
Définition :
Les conducteurs sont des matériaux formés d'atomes dont la dernière couche contient un ou deux électrons : cuivre, or, argent, aluminium...
Les isolants sont des matériaux formés d'atomes dont la dernière couche est saturée.
Les semi-conducteurs intrinsèques sont des matériaux cristallins qui, sous l'effet d'une excitation thermique par exemple, peuvent libérer un électron de valence, créant un « trou » qui sera rempli par un électron de valence voisin : le « trou » se propage. Il existe des semi conducteurs dopés par une impureté.
Courant électrique
Le courant électrique résulte d'un déplacement d'ensemble, ordonné, de particules portant des charges électriques.
On peut distinguer plusieurs types de courants :
courants particulaires : particules chargées se déplaçant dans le vide (faisceau électronique dans un tube cathodique par exemple) ;
courants de convection : déplacement de charges provoqué par le mouvement d'un support matériel (phénomène d'induction) ;
courants de conduction : déplacements de porteurs de charges dans un milieu matériel.
Nous ne nous intéressons ici qu'aux conducteurs donc au dernier cas : déplacement global de milliards d'électrons libres constituant le « gaz » d'électrons dans le milieu matériel. Ce déplacement peut être provoqué par un générateur qui exerce une force sur le « gaz ».
Explication : Analogie hydraulique
Le fluide qui circule dans un tuyau et le « gaz » d'électrons circulant dans un conducteur sont comparables, le débit volumique du fluide correspondant alors à l'intensité du courant électrique. On peut alors définir des lignes de courant : trajectoires des charges dans le conducteur, des tubes de courant : ensemble des lignes s'appuyant sur un contour fermé.
Cependant, l'écoulement des charges électriques peut être continu (sens déterminé), pulsé (sens déterminé, mais par saccades) ou alternatif (dans un sens puis en sens inverse, alternativement).
Sens conventionnel – intensité – unité de mesure
Par convention, le sens du courant correspond à un déplacement des charges positives, donc au sens inverse du déplacement des électrons.
L'intensité du courant est la quantité de charges qui passe en un point du circuit pendant un laps de temps donné :
C'est une grandeur algébrique qui a donc un signe.
L'intensité se mesure en Ampère (A).
Si
|  tube de courant |
Le courant qui traverse toute la section
du tube de courant est alors
L'intensité du courant passant dans un élément de circuit se mesure avec un ampèremètre monté en série avec cet élément, afin d'être traversé par le courant à mesurer. |  ampèremètre |
Les ordres de grandeur des courants sont très variables :
transistor : de 10-6 à 1 A
moteur : de 10 à 50 A
lampe : de 0,1 à 5 A
centrale électrique : 5000 A et plus !
On dit que le circuit fonctionne en régime permanent continu si les intensités passant en chacun de ses points sont indépendantes du temps.
Ceci impose que les sources d'énergie soient elles-mêmes indépendantes du temps.
Loi des nœuds
En régime permanent continu, on peut facilement montrer la conservation de la charge :
Soit
Pendant le laps de temps
|  charge |
Le régime étant permanent, il ne peut y avoir d'accumulation de charges dans
: il faut donc que dqs = dqe, ou encore is = ie = i : l'intensité est conservative dans le conducteur.
Si maintenant on a plusieurs branches arrivant à un nœud, le raisonnement est le même :
Au nœud N, il ne peut pas y avoir accumulation de charges. Ceci implique que les charges
|  noeud |
Fondamental :
Dans un circuit en régime permanent continu, la somme des courants arrivant à un nœud est égale à chaque instant à celle des courants qui le quittent.
Les effets du courant
effet thermique encore appelé effet Joule : chauffage, éclairage, fours...
effet magnétique : moteurs, électroaimants, alternateurs ;
effet chimique : piles, batteries de voiture, électrolyse.
