L’électron: à la source de l’électricité

Allumer une lumière, brancher un appareil sur une prise électrique…. Des gestes deviennent parfois si communs qu’on en oublie leur fondement. On se dit seulement, c’est de l’électricité. Effectivement, mais c’est avant toute chose un phénomène physique qui se joue au niveau de l’infiniment petit: l’électron.

Savoir les bases à propos de l’électron n’est pas forcément utile à la réalisation d’une installation électrique.

Mais la théorie est intimement liée à la pratique et ceux qui veulent élargir un peu leur champ de connaissance en électricité seront peut être intéressé par cet article.

C’est donc un article très théorique que je vous propose aujourd’hui. Mais ce n’est pas moi qui l’ai rédigé, mais Electron libre de la E-Team.

De l’électron à vos appareils électriques:

La physique n’est pas facile à comprendre, car nous abordons plus facilement les sciences qui restent visibles à l’œil.

L’infiniment petit réclame beaucoup d’imagination.

L’électricien parle d’électricité comme d’une chose ou d’une énergie au quotidien et face à ses clients. Mais l’électricité au niveau physique reste toujours floue pour la plupart d’entre nous.

Lorsqu’on parle d’électricité, on a plus en tête la prise électrique que l’électron.

Je vous rassure, cela l’est aussi pour ceux qui doivent enseigner l’électricité de base dans les écoles. A moins d’être soi-même un physicien qui nage au quotidien dans ce domaine et qui restera toujours trop théorique.

Sachant que l’on parle de l’atome depuis l’antiquité, ce n’est que depuis un peu plus d’un siècle, à la fin du dix neuvième seulement, que la recherche sur ces sujets ainsi que leur vulgarisation scientifique se propagent.

Les découvertes se poursuivent toujours de nos jours, recherches sans fin il semble.

L’électron à la base de l’énergie électrique étant une des parties de ce que l’on nomme l’atome, abordons déjà ce qu’est un atome.

L’atome et l’électron:

Tout ce qui existe de visible matériellement ou d’invisible à nos cinq sens basiques (gaz, solide, liquide…) est un ensemble de « petites bulles ou billes » pour image.

Ces billes on les nomme individuellement l’atome.

C’est la plus petite partie de la matière connue à ce jour.

Mais l’entrée dans l’infiniment petit nous a fait découvrir qu’il y avait encore des choses dans le plus petit et ce n’est pas terminé.

Au passage le microcosme est à l’image du macrocosme : ne retrouve-t-on pas dans le fonctionnement d’un atome le fonctionnement de nos planètes entre elles ?

Composition d’un atome:

La nature comme le vide auraient horreur du vide par les avancées récentes sur le sujet.

L’atome n’est pas une chose unique en elle-même, mais à voir comme une bulle composée d’un centre appelé le noyau.

Ce dernier est lui-même composé de deux éléments nommés « protons et neutrons ».

Autour de ce noyau gravitent dans le vide enfin nos chers électrons.

Ce sont eux qui nous intéressent au niveau énergétique, nous électriciens et consommateurs.

Ce vide représente la plus grande partie du volume global d’un électron.

Pour imaginer cela, voyez la représentation de notre planète sans ce vide ou cet espace magnétique entre les noyaux et les électrons, et notre terre ferait moins de 200 mètres de diamètre… !

Nous baignons dans un univers non pas de vide, mais magnétique indéniablement…

Un atome, minuscule en lui-même, possède un diamètre qui se situe entre 62 et 596 picomètres, (1m x 10 puissance -12).

Le noyau est, lui encore, infiniment plus petit puisqu’il est de 40.000 à 100.000 fois inférieur en taille.

Quant aux électrons, eux sont encore plus petits.

Les électrons gravitent autour du noyau de l’atome

Ces électrons ne sont pas immobiles mais circulent de manière elliptique autour du noyau. Qu’y a-t-il donc entre ce noyau et ces électrons, et qui fait mouvoir ces électrons ?

Ce phénomène de gravitation autour du noyau se nomme selon, un nuage atomique ou bien un cortège électronique, et représente une force électromagnétique. Du magnétisme.

Un électron a une charge dite négative. Les protons qui sont une partie du noyau ont des charges positives. Les neutrons qui forment l’autre partie du noyau sont neutres quant à eux.

Nos électrons circulent à une vitesse très importante et restent en position par le phénomène magnétique, ils sont attirés vers le noyau par les protons.

C’est le principe de l’aimantation.

Le nombre de protons est équivalent au nombre d’électrons, ce qui fait que l’atome en lui-même a une charge équilibrée donc nulle.

L’atome, oui mais lequel?

Compliquons un peu la donne en soulignant qu’il existe 118 types d’atomes observés et répertoriés à ce jour.

Il s’agit des atomes naturels, plus ceux transformés par l’homme dans ses recherches. Il en existerait même d’autres avec la découverte de matériaux rares.

Les neutrons, les protons et les électrons restent, eux, identiques en leur essence dans tous les atomes.

On parle ici de la forme chimique qui constitue les diverses matières qui nous entourent et dont nous sommes faits nous-mêmes.

Ces divers éléments chimiques se différencient par le nombre de protons variables au sein d’un atome, et répertoriés officiellement et scientifiquement par le nombre atomique.

Nous n’entrerons pas ici dans plus de détails. Les amateurs de physique et de chimie qui désirent se triturer les neurones un peu plus qu’ici, disposent de toutes les informations à leur disposition sur Internet et notamment des tableaux qui répertorient tous les atomes.

Le tableau périodique est établi en fonction de la configuration électronique des éléments de bases, les atomes

De l’électron à la prise de courant:

Ne pas confondre l’énergie et l’électricité.

Vous connaissez tous par l’expérience que vous avez dû aborder à l’école à un moment celle de la découverte de l’électricité statique.

En frottant une « peau de chat » sur une barre de résine pendant un moment, le mouvement mécanique créé génère un déplacement d’électrons entre les deux matières.

Cette action augmente ainsi le magnétisme, ce qui attire ensuite des morceaux de papier, autre matière, attirée par la barre.

Le métal augmente ce phénomène physique, car les métaux contiennent des atomes qui sont, eux, dits « conducteurs », c’est-à-dire qu’ils contiennent des électrons que l’on nomme « Electrons libres ».

Contrairement aux autres matières dont leurs électrons le sont moins, et que l’on nomme des résistants et des isolants qui, eux, limitent ou empêchent la transmission des électrons et donc du courant électrique par logique.

Donc par un mouvement mécanique, l’on peut arracher des électrons d’un atome vers un autre entre des matériaux.

C’est ce déplacement que l’on nomme un courant électrique.

Du magnétisme au courant électrique:

Le magnétisme étant un des facteurs issus des atomes.

Un aimant permet de créer un déplacement des électrons dans un matériau voisin et naturellement « conducteur », soit principalement les métaux.

C’est ce déplacement ou ce mouvement d’électrons qui est nommé électricité.

Ceci est une expérience simple à constater faute de pouvoir l’imager avec des atomes et des électrons. (Ce phénomène est abordé à l’école).

L’aimant se déplace dans une bobine confectionnée d’un fil de cuivre enroulé sous forme de spires. Le mouvement de l’aimant crée un déplacement variable des électrons présents au niveau des atomes du cuivre.

Aux deux bornes de la bobine se crée alors une tension dite électrique.

Cette tension permet d’allumer par exemple une ampoule led, ou de faire réagir plus expérimentalement un galvanomètre, un voltmètre ou de visualiser cela encore sur l’écran d’un oscilloscope.

La bobine se comporte comme un générateur de tension et la formule de la force électromotrice induite est connue comme « Loi de Faraday » :

e = d Φ/ d t

• e : force électromotrice
• Φ : flux magnétique subi par la bobine
• dΦ : variation du flux magnétique
• t : temps

C’est ainsi que les premières génératrices ont été inventées.

Le moteur, une invention dérivée d’une découverte physique

Voici quelques exemple des génératrices dont nous nous servons quotidiennement (directement ou indirectement).

• La simple dynamo sur notre bicyclette entraînée par nos jambes.
• Les alternateurs de voitures entraînés par le moteur thermique des véhicules.
• Les énormes génératrices des centrales de production d’électricité entraînées par des forces mécaniques naturelles, comme la chute puissante d’eau d’un barrage ou la vapeur thermique obtenue de diverses manières envoyée dans une turbine qui fait mouvoir ces générateurs, ou encore le vent qui entraîne des éoliennes maintenant.

Par cela nous disposons d’électricité pour tous nos besoins qui arrive par des fils et des câbles électriques jusque dans nos maisons.

Electrons libres, métaux conducteurs et effets de l’électricité:

Définition de l’électron libre:

Les électrons qui gravitent dans les atomes des métaux ne sont pas très attachés magnétiquement parlant aux noyaux.

Ces électrons se détachent donc au voisinage d’autres atomes métalliques.

Il s’agit d’électrons libres qui se déplacent en toute liberté d’un atome à l’autre.

Métaux conducteurs:

Le métal conduit ainsi ce que l’on appelle le courant électrique, qui est un mouvement, créé en amont par la génératrice qui pousse de nouveaux électrons.

Voici quelques exemple de métaux conducteurs:

• Le cuivre est un excellent conducteur, le plus utilisé dans le domaine électrique.
• L’aluminium l’est un peu moins, mais plus léger il est alors utilisé dans les lignes aériennes pour les hautes et très hautes tensions.
• L’idéal en matière de conductivité sont l’or et le platine. Ils utilisés dans des applications qui le permettent économiquement comme en électronique ou en téléphonie.

Le cuivre est un métal conducteur pour les électrons

Electrons et effets de l’électricité:

Le magnétisme crée le courant électrique qui se propage alors dans les fils électriques.

Ce courant électrique qui lui-même se transforme ensuite en trois autres formes dites « Effets de l’électricité ».

• L’effet thermique. Les électrons se trouvant dans un matériau plus résistant créent un échauffement. Principe du fer à repasser ou du chauffage électrique.
• L’effet chimique. Les électrons se retrouvent accumulés et stockés dans une batterie par électrolyse et inversement restituent l’électricité.
• L’effet mécanique/ magnétique. Le courant électrique se transforme en magnétisme dans les fils pour créer un mouvement et faire fonctionner les moteurs électriques. (Inverse des génératrices).

Tout se transforme, rien ne se perd au niveau des énergies, donc au niveau de toutes les matières constituées par les divers atomes.

Conclusion:

Voilà pour essayer de faire le plus simple possible dans un domaine qui reste très complexe en théorie et au niveau de la compréhension, faute de visibilité à nos sens.

Je vous ai passé la partie historique, les approches et les noms de nos illustres physiciens depuis deux siècles.

Mais retenez qu’en ce domaine les recherches ne sont pas encore arrivées à terme et ne le seront certainement jamais.

En effet nous abordons toujours un domaine qui dépasse encore notre entendement et qui touche à d’autres notions plus philosophiques par ailleurs.

L’infiniment petit comme l’infiniment grand abordent des notions communes en physique et en chimie, et depuis quelques décennies la recherche a abordé d’autres notions, notamment celle de ce vide qui ne l’est pas.

Laissons l’explication de l’approche quantique aux prochaines générations…