La leçon
1.1 La charge et son mouvement
RAS 1 de 9 du domaine 1 · Fondements, courant continu
Ce qu’est la charge, qui la porte selon le milieu, et pourquoi ça résiste : la marche avant les grandeurs.
Comprendre
Dans un fil de cuivre, les électrons vont de la borne moins vers la borne plus. Sur les schémas, pourtant, la flèche du courant va du plus vers le moins. Les deux sont vrais. Pour comprendre, il faut remonter avant l’électron.
Une pile, un interrupteur, une ampoule. Fermez l’interrupteur et regardez le courant courir. Les points qui défilent suivent la convention, du plus vers le moins ; ce n’est pas le sens des électrons, et c’est tout le sujet.
Avant Franklin, l’électricité est une attraction qu’on fabrique en frottant, racontée à part : L’électricité avant Franklin. Depuis Du Fay, en 1733, on croit à deux électricités, vitrée et résineuse. Vers 1747, à Philadelphie, Franklin frotte du verre et n’en veut qu’une : un fluide présent dans toute matière, « plus » où il abonde, « moins » où il manque, et qui coule du trop vers le manque, du plus vers le moins. Lequel des deux avait le trop ? Il a parié sur le verre ; rien de ce qu’il pouvait mesurer ne tranchait vraiment.
Pendant cent cinquante ans, Volta, Ohm, Ampère et Faraday compris, on bâtit tout là-dessus. Puis en 1897, J. J. Thomson met en évidence, dans un tube à vide, la particule qui porte la charge ; on comprendra dans les années qui suivent que c’est elle qui bouge dans les métaux. Sa charge est négative. Franklin avait perdu son pari.
Et on n’a rien changé. Une charge négative vers la gauche vaut une charge positive vers la droite : le courant est une grandeur avec un signe, la même quantité de charge passe chaque seconde. La convention ne prend parti pour aucun porteur, et c’est ce qui la rend juste.
Le sens conventionnel, du plus vers le moins, est celui des schémas et des symboles (flèche de la diode, du transistor bipolaire). Le sens des électrons, du moins vers le plus, est celui de la matière. Savoir lequel un livre a choisi, puis ne plus y penser ; les calculs, eux, ne le savent pas.
Un ampère, un coulomb par seconde, c’est un peu plus de six milliards de milliards d’électrons, qui avancent à pas de fourmi : quelques centièmes de millimètre par seconde dans un fil de lampe. Ce qui file presque à la vitesse de la lumière, c’est la poussée : le tuyau de Kuphaldt, plein de billes, une entre, une sort, aucune n’a couru.
L’erreur classique : croire qu’un des deux sens a tort. La seule faute : les mélanger dans un même raisonnement.
Ce que la source n’a pas
Le lithium. Le chapitre 11 de Kuphaldt n’en dit pas un mot, et sa cellule est au plomb. Dans une cellule de pack, les ions lithium, positifs, vont à la décharge de l’électrode moins vers l’électrode plus, dans le sens de la flèche ; les électrons font le tour par l’outil, dans l’autre sens.
Les trous. Kuphaldt les garde pour son volume III. Une place vide d’électron, qu’un voisin remplit et qui se déplace ainsi comme une charge positive : le seul porteur positif qu’on rencontre dans un solide, et il marche dans le sens de Franklin.
Voir
Les cibles
- La charge, l’atome, les électrons libres. En une page, sans formule : pourquoi un métal a des électrons libres, et ce que vaut un coulomb.
- Les porteurs selon le milieu. Un tableau à quatre lignes (métal, électrolyte, semi-conducteur, arc) : porteur, signe, sens.
- Les deux sens. Franklin et Thomson en cinq phrases, puis les deux flèches sur le circuit de la figure, et pourquoi le calcul ne change pas.
- Conduction et résistance au niveau des atomes. Pourquoi un métal résiste plus quand il chauffe, un semi-conducteur moins.
- La cellule. Les ions dedans, les électrons dehors, le tour complet d’une charge.
- Conducteur, semi-conducteur, isolant. Les distinguer par ce qu’ils offrent aux charges ; puis pourquoi cuivre, aluminium et nickel de bande de pack, trois conducteurs, ne conduisent pas pareil (le nickel pur résiste quatre fois plus que le cuivre).
- Diagnostic. Un contact qui chauffe, une pile qui ne débite plus au froid : quel mouvement de charges est entravé, et où.
Les idées fausses
« Les électrons vont du plus vers le moins. »
Non, c’est la flèche conventionnelle ; les électrons d’un métal vont à l’envers. Socratic 00176 le note : leur sens ne fait aucun débat, seule sa notation en fait un.« Les électrons filent à la vitesse de la lumière. »
Ils rampent ; seule la poussée va vite (le tuyau de billes).« Une des deux conventions est fausse. »
Aucune, il n’y a rien à corriger : mêmes nombres, chacune sa place, schémas ou matière.
Le mot
ÉlectronElectron
Du grec êlektron, l’ambre, la résine qui, frottée, attire la paille ; Gilbert en tire « électrique » vers 1600, et de là « électricité ». En 1891, l’Irlandais George Johnstone Stoney propose « électron » pour l’unité de charge, calculée sans l’avoir vue. Thomson, qui trouve la particule six ans plus tard, dit « corpuscule » ; c’est le mot de Stoney qui a gagné. Le porteur de nos fils porte donc le nom d’une résine. En anglais, electron, le même mot sans l’accent.
Lire
Kuphaldt, Lessons in Electric Circuits, volume I (DC), chapitre 1 : Basic concepts of electricity. « Static electricity » raconte Du Fay et Franklin, avec la cire et la laine plutôt que le verre ; « Conductors, insulators, and electron flow » est la cible 1 ; « Conventional versus electron flow » est la cible 3, avec le symbole de la diode. Kuphaldt, il le dit là, écrit tout en sens des électrons, à l’envers de la plupart des livres.
Cibles 4 et 6, versant métal : chapitre 12, Physics of conductors and insulators, résistivité et température. Cible 5 : chapitre 11, Batteries and power systems.
Passerelles
- Histoire
- Les lettres de Franklin, 1747 à 1750, paraissent à Londres en 1751 ; Thomson identifie l’électron en 1897, Nobel en 1906, Benjamin Franklin.
- Physique
- La charge élémentaire, 1,602 × 10⁻¹⁹ coulomb, mesurée par Millikan à partir de 1909, définit le coulomb depuis 2019, Charge élémentaire.
- Chimie
- « ion », mot que Faraday introduit en 1834, soufflé par William Whewell, du grec « celui qui va » : deux signes, deux sens, Ion.
- Mathématiques
- Moins trois vers la gauche vaut plus trois vers la droite ; c’est par là que la convention de Franklin survit à l’électron, Mesure algébrique.
Ce que ça débloque
Et ensuite ?
- 1.2 Les grandeurs. Le coulomb et l’ampère, unités et ordres de grandeur, du Raspberry Pi à la scie à chaîne.
- 1.3 Loi d’Ohm et puissance. La tension tire, la résistance retient, et le courant dont on vient de fixer le sens prend sa valeur.
- L’histoire : la bouteille de Leyde. Le premier condensateur, en 1745, que Franklin explique avec son fluide ; de ce fluide qu’on condense, Volta tirera « condensateur » en 1782.