L’énergie électrique résulte du mouvement d’une charge électrique et est communément appelée simplement électricité. En fin de compte, il trouve son origine dans la force électromagnétique : l’une des quatre forces fondamentales de la nature et celle qui est responsable du comportement des objets chargés électriquement. L’énergie électrique est le résultat de l’interaction de particules subatomiques avec cette force. L’électricité se manifeste dans des phénomènes naturels tels que la foudre et est essentielle à la vie à un niveau fondamental. La capacité des humains à produire, transmettre et stocker de l’électricité est cruciale pour l’industrie moderne, la technologie et, dans la plupart des pays, la vie domestique.
L’origine de l’énergie électrique
Il existe deux types de charges électriques, appelées positives et négatives. Si deux objets chargés électriquement sont rapprochés l’un de l’autre, ils subiront une force. Si les charges sont les mêmes – à la fois positives ou négatives – la force agira pour éloigner les objets les uns des autres. S’ils ont des charges différentes, ils s’attireront les uns les autres. Cette répulsion ou attraction est connue sous le nom de force électromagnétique, et elle peut être exploitée pour créer un flux d’énergie électrique.
Les atomes sont constitués d’un noyau contenant des protons chargés positivement, avec des électrons chargés négativement en orbite autour de lui. Les protons restent normalement dans le noyau, mais les électrons peuvent se déplacer d’atome en atome, leur permettant de traverser des matériaux, tels que des métaux, qui conduisent l’électricité. Un endroit avec un excès d’électrons par rapport aux protons aura une charge négative ; une place avec un déficit aura une charge positive. Étant donné que les charges opposées s’attirent, les électrons passeront d’une zone chargée négativement à une zone chargée positivement si cela est autorisé, créant un courant électrique.
Utilisation de l’énergie électrique
L’électricité est utile à la fois en soi et comme moyen de transfert d’énergie sur de longues distances. Il est indispensable à divers procédés industriels, aux télécommunications et à Internet, aux ordinateurs, aux téléviseurs et à de nombreux autres appareils d’usage courant. Il peut également être converti en d’autres formes d’énergie pour une utilisation dans une variété d’autres applications.
Lorsqu’un courant électrique circule dans un conducteur, il génère une certaine quantité de chaleur. La quantité générée dépend de la façon dont le matériau conduit l’électricité. Un bon conducteur, comme le cuivre, produit très peu. Pour cette raison, les fils et câbles en cuivre sont couramment utilisés pour transmettre l’électricité : lorsque de la chaleur est produite, de l’énergie est perdue, donc un bon conducteur minimise les pertes d’énergie. Les matériaux qui conduisent moins bien l’électricité produisent plus de chaleur, ils ont donc tendance à être utilisés dans les radiateurs électriques, les cuisinières et les fours, par exemple.
L’énergie électrique peut également être convertie en lumière. Les premières lampes à arc dépendaient d’une décharge électrique à travers un petit espace pour chauffer l’air au point où il brille – le même principe que la foudre. Plus tard, l’ampoule à incandescence a été introduite : elle repose sur le courant qui fait briller à blanc un fil mince enroulé. Les ampoules modernes à économie d’énergie font passer un courant haute tension à travers un gaz mince, ce qui l’amène à émettre une lumière ultraviolette, qui frappe un revêtement fluorescent pour produire de la lumière visible.
Lorsqu’un matériau conducteur, tel qu’un fil de cuivre, est déplacé dans un champ magnétique, un courant est généré. Inversement, un courant circulant dans un fil produira, s’il subit un champ magnétique, un mouvement. C’est le principe d’un moteur électrique. Ces dispositifs consistent en un agencement d’aimants et de bobines de fil de cuivre de telle sorte que lorsqu’un courant circule à travers le fil, un mouvement de rotation est produit. Les moteurs électriques sont largement utilisés dans l’industrie et à la maison, par exemple dans les machines à laver et les lecteurs de DVD.
Mesurer l’énergie électrique
L’énergie est mesurée en joules, un terme nommé d’après le physicien James Prescott Joule. Un joule correspond à peu près à la quantité d’énergie nécessaire pour soulever un poids d’une livre (0.45 kilogramme) sur une distance verticale de neuf pouces (22.9 cm). Cependant, il est généralement plus pratique de penser à l’électricité en termes de puissance, qui est l’énergie divisée par le temps, ou la vitesse à laquelle elle circule. Cela donne l’unité peut-être plus familière du watt, du nom du scientifique James Watt. Un watt équivaut à un joule par seconde.
Il existe un certain nombre d’autres unités liées à l’électricité. Le coulomb est l’unité de charge électrique. Elle peut être considérée comme une quantité d’électrons — 1.6 x 1019 — puisque tous les électrons ont la même charge, très petite. L’ampère, généralement abrégé en « amp », est l’unité de courant électrique, ou le nombre d’électrons qui circulent dans un laps de temps donné. Un ampère équivaut à un coulomb par seconde.
Le volt est l’unité de force électromotrice, ou la quantité d’énergie qui est transférée par unité de charge, ou coulomb. Un volt équivaut à un joule d’énergie transféré pour chaque coulomb de charge. La puissance, en watts, équivaut à des volts multipliés par des ampères, donc un courant de cinq ampères à 100 volts équivaudrait à 500 watts.
Production d’énergie électrique
La plupart de l’électricité est générée par des dispositifs qui convertissent le mouvement de rotation en énergie électrique, en utilisant le même principe qu’un moteur électrique, mais en sens inverse. Le mouvement des bobines de fil dans un champ magnétique produit un courant électrique. Généralement, la chaleur, souvent générée par la combustion de combustibles fossiles, est utilisée pour produire de la vapeur qui alimente une turbine pour fournir le mouvement de rotation. Dans une centrale nucléaire, l’énergie nucléaire fournit la chaleur. L’énergie hydroélectrique utilise le mouvement de l’eau par gravité pour entraîner la turbine.
L’électricité produite dans les centrales électriques est généralement sous forme de courant alternatif (AC). Cela signifie que le courant inverse constamment sa direction, plusieurs fois par seconde. Dans la plupart des cas, le courant alternatif fonctionne bien, et c’est ainsi que l’électricité atteint la maison. Cependant, certains procédés industriels nécessitent un courant continu (CC), qui ne circule que dans un seul sens. Par exemple, la fabrication de certains produits chimiques utilise l’électrolyse : la séparation de composés en éléments ou en composés plus simples utilisant l’électricité. Cela nécessite du courant continu, de sorte que ces industries nécessiteront une conversion CA en CC ou auront leur propre alimentation CC.
Il est plus efficace de transmettre l’électricité par des lignes électriques à des tensions plus élevées. Pour cette raison, les centrales électriques utilisent des dispositifs appelés transformateurs pour augmenter la tension de transmission. Cela n’augmente pas l’énergie ou la puissance : lorsque la tension est élevée, le courant est réduit et vice versa. La transmission longue distance de l’électricité a lieu à plusieurs milliers de volts; cependant, il ne peut pas être utilisé dans les maisons à ces tensions. Les transformateurs locaux réduisent la tension à environ 110 volts aux États-Unis et à 220-240 volts en Europe, pour les alimentations domestiques.
L’électricité pour les petits appareils de faible puissance est souvent fournie par des batteries. Ceux-ci utilisent de l’énergie chimique pour générer un courant électrique relativement faible. Ils génèrent toujours un courant continu, et ont donc une borne négative et une borne positive. Les électrons circulent du négatif vers le positif lorsqu’un circuit est terminé.