Qu'est-ce que le courant électrique ?

 

 

I) Le courant électrique dans un métal (voir livre p 32) :

Un courant hydraulique correspond à un déplacement d'eau. Qu'est ce qui se déplace dans le cas du courant électrique dans un métal ?

 

Réponse : comme l'indique son nom, le courant électrique dans un métal est un déplacement d'électrons. Comment s'effectue ce mouvement dans les métaux ?

1.    Des électrons libres dans les métaux :

Ø Un atome est composé d'électrons qui tournent autour d'un noyau. Dans les matériaux conducteurs, certains électrons, ceux les plus éloignés du noyau, sont peu liés à ce dernier. Dans le cas d'atomes métalliques, ils peuvent facilement se déplacer. On les appelle des électrons libres.

Ø Dans un circuit électrique ouvert, il n'y a pas de courant. On pourrait donc penser que les électrons libres sont immobiles. Ce n'est pas du tout le cas : les électrons libres se déplacent, mais de façon totalement désordonnée.

 

 

Quand on ferme le circuit que se passe-t-il ?

 

2.    Qu'est-ce que le courant électrique ?

Ø Quand on ferme le circuit électrique, un courant électrique s'établit si le circuit comporte un générateur. Sous l'action de ce dernier, tous les électrons libres du circuit se déplacent dans le même sens et la même direction.

Ø Le générateur est un peu comme un général qui donne l'ordre aux soldats (les électrons) de se mettre en rang et d'avancer au pas. Le déplacement d'un régiment de soldats qui marche au pas est un mouvement d'ensemble. De même, le courant électrique dans un métal est un mouvement d'ensemble ordonné des électrons libres du circuit mis en action par le générateur.

Ø Les matériaux isolants (matières plastiques par exemple) ne possèdent pas d'électrons libres et ne peuvent donc pas conduire le courant électrique.

 

3.    Le sens du courant électrique (voir livre p 32) :

 

Ø Les électrons chargés négativement sont attirés par la borne positive du générateur ; c'est d'ailleurs pour cette

raison qu'ils se déplacent ! Ils se déplacent donc de la borne « – » vers la borne « + »  du générateur. Nous savons pourtant que le sens conventionnel du courant est le sens opposé : de la borne « + » vers la borne « – » du générateur (voir doc. 3 p 32). D'où vient cette contradiction ?

Ø Pour trouver l'explication, il faut revenir à l'histoire de l'électricité. En effet, après l'invention par Volta de la pile en 1800, les scientifiques se rendent compte que quelque chose se déplace dans les circuits électriques. Ils ne savent pas vraiment ce qui se déplace ni dans quel sens puisque l'électron ne sera découvert qu'en 1897. Par analogie avec le courant hydraulique qui se déplace toujours du haut vers le bas, les scientifiques ont décidé, par convention, que le courant se déplaçait de la borne « + » vers la borne « – » du générateur. Avec la découverte de l'électron, ils se sont aperçus que leur choix n’était pas le bon mais, comme l’habitude avait été prise, on travaille toujours de nos jours avec le sens conventionnel du courant et non avec son sens réel qui est celui des électrons.

 

4.    La vitesse de déplacement des électrons :

Lorsqu'on allume une lampe à incandescence, la lumière jaillit instantanément. On peut donc penser que la vitesse des électrons libres dans le circuit est très grande. Il n'en est rien : la vitesse moyenne d'un électron dans un circuit n'est que de l'ordre de quelques millimètres par minute. Comment expliquer alors que l'allumage soit instantané ?

Pour le comprendre, il faut de nouveau rappeler que le courant est un mouvement d'ensemble des électrons libres du circuit. Cela signifie que, dès que l'on ferme le circuit, tous les électrons libres de tout le circuit se mettent en mouvement pratiquement ensemble. La mise en mouvement est très rapide (elle s'effectue à une vitesse de l'ordre de 300 000 km/s !) mais le mouvement de chaque électron est très lent.

 

II) Les ions et les solutions ioniques :

Comment le courant électrique peut-il circuler dans l'eau ?

 

Réponse : si l'eau était totalement pure, elle ne conduirait pas le courant électrique car les molécules d'eau H2O sont électriquement neutres. Ce sont donc certaines substances présentes dans l'eau qui permettent la conduction du courant. Quelles propriétés ont ces substances ?

 

 

 

1.    Quelles solutions sont conductrices ?

Pour le savoir, réalisons l'expérience suivante.

Ø Protocole : à l'aide du montage ci-dessous, nous comparons la conduction de trois liquides : l'eau distillée, l'eau du robinet sucrée et l'eau du robinet salée. La lampe a une intensité nominale de 400 mA, elle ne s'allume que si le courant est suffisamment intense (de l'ordre de 100mA).

Solution

La lampe brille

Intensité du courant

Eau distillée

Non

< 3mA

Eau sucrée

Non

< 10 mA

Eau salée

Oui

250 mA


Ø Observation : nous constatons que la lampe ne s'allume que pour l'eau salée. L'intensité du courant est alors suffisante pour allumer la lampe (250 mA). En revanche, dans l'eau distillée, l'intensité du courant est très faible (2mA) et dans l'eau sucrée, elle est encore trop faible (10mA) pour permettre à la lampe de briller.

 

Ø Interprétation: nous savons que les molécules de sel se dissocient en ions (Na+ et Cl-) lorsqu'elles sont dissoutes dans l'eau. L'eau distillée n'est composée (si la distillation a été bien effectuée) que de molécule d'eau. Elle ne contient quasiment pas d'ions. L’autre solution, l’eau sucrée, ne contient que très peu d'ions ; en effet, les molécules de sucre ne se dissocient pas en ions lorsqu'elles sont dissoutes.

 

 

Dans une solution ionique comme l'eau salée, ce sont donc les ions qui sont responsables du passage du courant : plus la solution contient d'ions, plus la solution ionique est conductrice et plus l'intensité du courant sera importante.

 

 

Remarque : - Des eaux ne contenant pas d'ions ne sont pas forcément des eaux pures ; elles peuvent contenir d'autres molécules (ou atomes) que des molécules d'eau. Ainsi, l'eau sucrée n'est pas conductrice.

                - L'acide chlorhydrique (H+ + Cl-), la soude (Na+ + OH-) sont des solutions ioniques, elles permettent donc le passage du courant électrique


 

2.    Dans quel sens se déplacent les ions ?

Ø Certaines solutions ioniques colorées doivent leur couleur à la présence d'ions particuliers. Ainsi, une solution bleue de sulfate de cuivre de formule (Cu2+ + ) doit sa couleur à la présence des ions cuivre Cu2+, tandis qu'une solution de permanganate de potassium de formule (K+ + ) est violette à cause des ions manganate .

Ø Pour connaître le sens de déplacement des ions, réalisons l'expérience suivante en utilisant ces solutions ioniques colorées.

v Protocole : on dépose sur une feuille de papier filtre imbibée d'eau salée un mélange des deux solutions colorées précédentes et on soumet cette feuille à la tension d'un générateur.

v Observation : on constate que les couleurs bleue et violette se séparent : le bleu se déplace vers la borne "–" du générateur, tandis que le violet se déplace vers la borne "+" du générateur.

 

Faire ajouter aux élèves sur leur schéma, le sens de déplacement des ions (cations et anions).

 

 

v Interprétation : la couleur bleue est due aux ions cuivre Cu2+, ions positifs, qui se déplacent vers la borne « – » du générateur, c'est-à-dire dans le sens conventionnel du courant. Au contraire, la couleur violette est due à des ions négatifs, les ions manganate , qui se déplacent vers la borne « + » du générateur.

Zone de Texte: Les cations, ions positifs se déplacent dans le sens conventionnel du courant ; les anions,  ions négatifs se déplacent en sens contraire.
 

 

 


L'essentiel à retenir absolument :

 

 

Ø Dans un métal, le courant électrique est dû à une circulation d'électrons libres. Ceux-ci se déplacent dans le sens opposé au sens conventionnel du courant.

Ø Dans une solution conductrice, le courant électrique est dû à une circulation d'ions. Les ions positifs (cations) se déplacent dans le sens conventionnel du courant ; les ions négatifs (anions) se déplacent en sens inverse.