Physique du primaire et du collège · Grades 1–9
54Le courant électrique et ses effets
Le courant a marché, anonyme et utile, à travers cinq années de circuits : filaments allumés, moteurs qui tournent, vibreurs qui sonnent. Cette année, l’électricité devient quantitative — appareils de mesure, unités et lois — et nous ouvrons par un inventaire : que peut faire un courant, exactement ? Trois effets, en fin de compte, et tout le monde électrique est bâti avec eux.
54.1 Les trois effets
Proposition 54.1 (Les effets du courant électrique)
Un courant qui traverse la matière se manifeste par trois effets :
- l’effet thermique : tout courant échauffe le conducteur qu’il traverse — doucement dans les bons fils, férocement dans les fils fins ou surchargés, jusqu’au blanc et à dessein dans les filaments et les grille-pain ;
- l’effet magnétique : un courant rend magnétiques ses environs — un fil fait dévier l’aiguille d’une boussole voisine, et un fil enroulé devient un véritable aimant, avec des pôles, que l’on peut commander à volonté ;
- l’effet chimique : en traversant certains liquides, un courant provoque des transformations chimiques — il décompose l’eau en deux gaz, argente des cuillères, charge et décharge toutes les piles.
Exemple 54.2 (L’effet thermique au travail)
Voulu : les barreaux rougeoyants du grille-pain, la résistance cachée de la bouilloire, le filament chauffé à blanc des vieilles lampes, le fusible construit pour fondre le premier. Subi : les chargeurs de téléphone tièdes, le dessous brûlant des ordinateurs portables — et la menace du court-circuit, que tu as étudiée comme la signature du coupable. Un seul effet, serviteur et danger, dosé par l’intensité avec laquelle le courant circule — une dose que nous apprendrons à mesurer au chapitre suivant.
54.2 Le courant fabrique des aimants
Exemple 54.3 (La boussole trahit le fil)
Il y a deux siècles, pendant un cours, un physicien remarqua qu’une aiguille de boussole tressaillait chaque fois qu’il fermait un circuit sur la paillasse voisine. Ce tressaillement — à peine un frémissement d’aiguille — fut le premier pont jamais vu entre l’électricité et le magnétisme, deux sciences jusque-là aussi séparées que la météo et la musique. Pose une boussole à côté d’un fil et allume : l’aiguille se déplace ; inverse le courant, et elle se déplace dans l’autre sens. Le courant crée du magnétisme autour de lui, avec un sens.
Définition 54.4 (Électroaimant)
Un électroaimant est une bobine de fil isolé — souvent enroulée autour d’un noyau de fer — qui devient un aimant tant qu’un courant la traverse : pôle nord, pôle sud, pouvoir d’attirer le fer, et tout le reste. Contrairement à tout aimant de pierre, il obéit à un interrupteur : courant allumé, aimant présent ; courant coupé, aimant disparu ; courant inversé, pôles échangés.
Exemple 54.5 (Le magnétisme commandable fait tourner le monde)
La grue de la casse saisit une voiture avec un électroaimant et la lâche en ouvrant un interrupteur — essaie donc avec un aimant de pierre. Les serrures électriques, le claquement d’un relais, le marteau de la sonnette (un électroaimant qui l’arrache vers le timbre, coupe son propre courant et le laisse revenir en arrière : le grelot érigé en loi), la tête de lecture des vieux téléphones et, surtout, tous les moteurs électriques : du magnétisme fabriqué par le courant qui pousse contre des aimants, des milliers de fois par seconde. L’effet magnétique est le muscle de l’âge électrique.
Méthode 54.6 (Bobiner un électroaimant)
- enrouler un ou deux mètres de fil isolé fin en spires serrées et bien rangées autour d’un gros clou ou d’un boulon en fer, en laissant deux extrémités libres ;
- relier les extrémités à une pile par l’intermédiaire d’un interrupteur (jamais directement pendant longtemps — la bobine est presque un court-circuit et s’échauffe : l’effet thermique chaperonne l’expérience) ;
- fermer brièvement l’interrupteur : la tête du clou attrape des trombones ; l’ouvrir : ils tombent ;
- tester à la boussole : les deux extrémités de la bobine se comportent comme un pôle N et un pôle S — et s’échangent quand on retourne la pile.
Plus de spires, prise plus ferme : on dose le magnétisme en bobinant.
54.3 L’effet chimique
Exemple 54.7 (Du courant dans l’eau)
Plonge deux mines de crayon reliées à une pile dans de l’eau rendue légèrement conductrice (une cuillerée de cristaux de soude y aide), et regarde : de minuscules bulles filent des deux mines — deux gaz différents, nés de l’eau elle-même, avec deux fois plus de volume à une mine qu’à l’autre. Le courant est en train de démonter l’eau en ses deux composants invisibles. Cette porte entre l’électricité et la chimie — l’électrolyse — argente des cuillères bon marché, arrache l’aluminium à son minerai, et appartient surtout à ton cours de chimie ; la physique la salue et poursuit sa route.
Exemple 54.8 (Toute pile est cet effet à l’envers)
À l’intérieur de toute pile, c’est la chimie qui pousse le courant : une réserve d’énergie chimique met la marche en route et se dépense en servant — le vidage que tu connais depuis que la lampe de poche a faibli. Les accumulateurs rechargeables bouclent la boucle : le chargeur force un courant à l’envers, et l’effet chimique reconstruit la réserve. Du chimique à l’électrique, de l’électrique au chimique : un seul effet, deux sens, et toute l’industrie de la pile.
Remarque 54.9 (Les effets comme détecteurs)
Les trois effets répondent à une question qui te laissait perplexe du temps où tu étais l’apprenti au testeur : comment voir un courant — une marche invisible dans un fil opaque ? Par ses actes. Un fil qui chauffe, une boussole qui tressaille, une bulle qui file : chacun trahit la marche. Tous les instruments de mesure du courant jamais construits lisent l’un des trois effets — et celui qui attend au chapitre suivant lit le tressaillement magnétique, raffiné en un cadran chiffré.
54.4 Exercices
Exercice 54.1 ★
Nomme les trois effets du courant électrique, chacun avec un usage où il nous sert.
Solution
Solution de Exercice 54.1.
Thermique (le grille-pain, la bouilloire, le filament) ; magnétique (l’électroaimant, le moteur, la sonnette) ; chimique (l’argentage, la décomposition de l’eau, la charge des accumulateurs).
Exercice 54.2 ★
Quel effet, dans chaque scène : un fusible qui fond ; une sonnette qui martèle ; des bulles aux mines de crayon ; la lueur d’un grille-pain ; la prise d’une grue de casse ?
Solution
Solution de Exercice 54.2.
Thermique ; magnétique ; chimique ; thermique ; magnétique.
Exercice 54.3 ★
Qu’a révélé le tressaillement de la boussole posée près de la paillasse du cours ? Qu’arrive-t-il au tressaillement quand le courant s’inverse ?
Solution
Solution de Exercice 54.3.
Qu’un courant crée du magnétisme autour de son fil — le premier pont entre l’électricité et le magnétisme. Inverser le courant inverse le tressaillement.
Exercice 54.4 ★
Cite trois pouvoirs qu’un électroaimant possède et qu’aucun aimant de pierre ne peut égaler.
Exercice 54.5 ★
Dans la méthode de bobinage, pourquoi le fil doit-il être isolé ? Et pourquoi la bobine ne doit-elle pas rester longtemps branchée sans charge utile ?
Solution
Solution de Exercice 54.5.
Des spires nues qui se touchent laisseraient le courant prendre un raccourci en travers de l’enroulement au lieu de faire le tour de la bobine — l’isolant impose le long chemin qui aimante. Par ailleurs, la bobine seule s’oppose très peu à la marche : laissée branchée, elle est presque un court-circuit et échauffe la bobine et la pile — l’effet thermique fait le chaperon.
Exercice 54.6 ★
Comment le grutier relâche-t-il la voiture ? Compare avec ce qu’exigerait un aimant de pierre de force égale.
Solution
Solution de Exercice 54.6.
En ouvrant un interrupteur : courant coupé, magnétisme disparu, voiture lâchée. Un aimant de pierre d’une telle force tiendrait pour toujours — relâcher la voiture exigerait des machines pour l’en arracher.
Exercice 54.7 ★
Quelle conversion d’énergie a lieu à l’intérieur d’une pile en service ? Et à l’intérieur d’un accumulateur sur son chargeur ?
Exercice 54.8 ★
Pourquoi les trois effets sont-ils précieux comme détecteurs ? Quel effet l’instrument du chapitre suivant raffinera-t-il en un nombre ?
Solution
Solution de Exercice 54.8.
Parce que la marche elle-même est invisible : seuls ses actes la trahissent. Échauffement, tressaillement, bullage sont les seules signatures du courant — et l’instrument du chapitre suivant raffine le tressaillement magnétique en une lecture chiffrée.
Exercice 54.9 ★★
La sonnette : un électroaimant arrache le marteau vers le timbre, mais le marteau en mouvement coupe son propre circuit ; un ressort le ramène, ce qui rétablit le contact — et ainsi de suite. Parcours un cycle complet et explique pourquoi ce montage doit grelotter plutôt que tenir.
Solution
Solution de Exercice 54.9.
Bouton pressé : le courant circule, l’électroaimant arrache le marteau, ding — mais le mouvement du marteau ouvre un contact dans sa propre alimentation ; le magnétisme meurt, le ressort ramène le marteau, ce qui rétablit le contact ; le courant revient, nouvel arrachement — et ainsi de suite, plusieurs fois par seconde. Tenir est impossible par construction : l’arrachement coupe toujours sa propre cause — et le grelottement est la sonnerie.
Exercice 54.10 ★★
Un relais est un interrupteur fermé par un électroaimant : un petit courant dans la bobine ferme des contacts qui portent un gros courant dans un autre circuit. Explique pourquoi cela permet à un thermostat délicat de commander sans danger un radiateur électrique vorace — et quels deux circuits ne se touchent jamais.
Solution
Solution de Exercice 54.10.
Les contacts fragiles du thermostat ne portent que le petit courant de la bobine ; le magnétisme de la bobine ferme de robustes contacts qui portent le courant vorace du radiateur dans une boucle séparée. Le petit commande le grand, et les deux circuits ne se touchent jamais — la main délicate tire un levier, non la charge.
Exercice 54.11 ★★
L’aiguille de ta boussole tressaille chaque fois qu’un fil caché dans le mur porte du courant. Conçois à partir de ce fait un détecteur de fils dans les murs : protocole, ce que signifie un fort tressaillement, et une limite honnête de l’instrument (pense à ce qui fait bouger d’autre une aiguille de boussole).
Solution
Solution de Exercice 54.11.
Protocole : tenir la boussole à plat contre le mur, loin des meubles métalliques ; balayer lentement ; là où l’aiguille tressaille quand on allume et éteint l’appareil suspect, un fil parcouru par un courant passe. Un fort tressaillement signifie un courant proche ou intense. Limite honnête : les aiguilles répondent aussi aux canalisations en fer, aux aimants et à la Terre elle-même — seul un tressaillement qui suit la commande allumé–éteint prouve un courant.
Exercice 54.12 ★★★
Un moteur électrique, en esquisse : une bobine montée sur un axe se trouve entre les pôles d’un aimant ; le courant rend la bobine magnétique ; les attractions et répulsions des pôles font tourner l’axe — et, juste au moment où la bobine allait s’immobiliser alignée, le courant qui la traverse est inversé, si bien qu’elle doit poursuivre cet alignement pour toujours. Explique, pôle par pôle, pourquoi cette inversion est indispensable — que ferait le moteur sans elle ? (Tu viens d’expliquer pourquoi les moteurs contiennent un contact inverseur — et la moitié de la façon dont l’âge électrique fait tourner ses roues.)
Solution
Solution de Exercice 54.12.
Le courant rend la bobine magnétique ; les pôles contraires de la bobine et du bâti s’attirent, les pôles de même nom se repoussent, et la bobine tourne vers la position d’alignement. Sans inversion, elle atteindrait cet alignement et s’arrêterait — un demi-tour, puis un frémissement jusqu’au repos : un ferme-porte, non un moteur. Inverser le courant à l’instant de l’alignement échange les pôles de la bobine : l’attraction d’hier devient répulsion, l’alignement devient la pire place où se trouver, et la bobine doit poursuivre sans fin un but qui lui échappe à chaque demi-tour — une poursuite perpétuelle, c’est-à-dire une rotation.
54.5 Problème : l’atelier de l’inventeur
Problème 54.1
Problème du week-end — une pile, trois effets, cinq inventions ; une soirée dans l’atelier de l’inventeur
L’établi de l’atelier porte des piles, du fil, des clous en fer, une boussole, deux mines de crayon, un bocal d’eau additionnée de soude — et un carnet d’inventions à moitié construites, à évaluer.
Partie I — faire l’inventaire.
- Esquisse le banc d’essai des trois effets de l’atelier : pour une pile et un interrupteur, décris un montage qui montre les trois effets à la fois (un fil fin qui chauffe, une boussole à côté d’un conducteur, le bocal dans la boucle). Dans quelle disposition les trois démonstrations doivent-elles se trouver — en série ou en dérivation — pour qu’un seul interrupteur les commande toutes ?
- Le fil fin de démonstration s’échauffe alors que les gros fils d’alimentation restent froids, dans la même boucle. Quel fait du premier chapitre sur la boucle en série rend cela plus intéressant qu’il n’y paraît — qu’est-ce qui est égal dans les deux fils, et qu’est-ce qui diffère ?
- La boussole tressaille vers l’est quand l’interrupteur se ferme. Quels deux changements, faits ensemble, laisseraient le tressaillement exactement tel qu’il était ?
- Les bulles filent deux fois plus vite d’une mine de crayon que de l’autre. Que cela suggère-t-il sur les deux composants de l’eau ? (La chimie confirmera le rapport.)
Partie II — évaluer les inventions.
- Invention : « la sonnette silencieuse » — un électroaimant qui tire une fois un marteau feutré et le maintient jusqu’au relâchement du bouton. Quelle pièce du mécanisme classique de la sonnette l’inventeur doit-il supprimer, et qu’entendra le visiteur ?
- Invention : « le trieur magnétique » — de la ferraille sur un tapis roulant passe sous un électroaimant qui en extrait le fer et l’acier. Que se passe-t-il au bac de largage, et pourquoi le trieur laisse-t-il les canettes en aluminium sur le tapis (deux faits sur les aimants, vus les années précédentes, répondent) ?
- Invention : « le retourne-pôles » — une boussole montée au-dessus d’une bobine, qui bascule chaque fois qu’un interrupteur caché retourne la pile. Quelle propriété du magnétisme fabriqué par le courant est exploitée ?
- Invention : « l’électrolyseur éternel » — un argentage alimenté par une pile qui « se recharge elle-même grâce à l’argentage ». Oppose ton veto, en citant les deux sens de la pile du chapitre et une loi plus ancienne sur l’énergie.
Partie III — le chef-d’œuvre de la soirée. L’inventeur termine par un jeu de grue pour la fête foraine : un manche à balai, un petit électroaimant au bout de câbles, un bac de babioles en fer.
- Écris le scénario du coup gagnant en langage d’effets : que se passe-t-il à la « prise », pendant le déplacement, et au « lâcher » ?
- Les visiteurs se plaignent que la grue laisse tomber les lots en plein déplacement dès que la vieille pile faiblit. Quelle propriété de l’électroaimant — vertu et faiblesse en une seule — est ici à l’œuvre ?
- L’inventeur double le nombre de spires de la bobine pour arranger cela. Prédis l’effet sur la prise, et nomme l’autre dose (du côté de la pile) que le chapitre suivant nous permettra de chiffrer.
- Dernière page du carnet : rédige le résumé de l’atelier — une phrase par effet, chacune nommant la plus belle invention de la soirée qui s’en sert.
Solution
Solution de Problème 54.1.
1. Les trois démonstrations en série sur une seule boucle avec l’interrupteur : une seule marche sert tour à tour le fil qui chauffe, le fil de la boussole et le bocal — un interrupteur, trois effets. 2. La loi de la série : le même courant traverse le gros fil comme le fin. Ce qui diffère, c’est seulement la route — le fil fin souffre davantage de la marche et s’échauffe : même dose, patient différent. 3. Retourner la pile et faire passer le fil de l’autre côté de la boussole (ou retourner la boussole) : deux inversions se compensent, et le tressaillement reste vers l’est. 4. Que les deux composants de l’eau sont présents dans une proportion de deux pour un — deux fois plus de gaz d’une mine que de l’autre. 5. Supprimer le contact auto-interrupteur (la pièce que le mouvement du marteau ouvre) : l’électroaimant maintient alors le marteau feutré contre le timbre, en silence — le visiteur entend un unique « toc » étouffé, et plus rien. 6. Au bac, l’opérateur ouvre l’interrupteur de la bobine : le magnétisme s’évanouit, le fer tombe. L’aluminium poursuit sa route parce que les aimants — de pierre ou fabriqués par le courant — ne saisissent que la famille du fer, et que l’aluminium ne leur a jamais répondu. 7. Que les pôles d’un aimant fabriqué par le courant suivent le sens du courant : inverse l’un, tu inverses l’autre. 8. Une pile alimente l’argentage en dépensant sa réserve chimique ; reconstruire une réserve exige de l’énergie forcée depuis l’extérieur. Une pile qui se remplirait grâce au travail même qu’elle paie, c’est encore la machine à mouvement perpétuel — l’addition d’énergie ne peut pas se payer elle-même. 9. La prise : l’interrupteur se ferme, la bobine s’aimante, la babiole est retenue. Le déplacement : courant maintenu, prise maintenue — l’effet magnétique est de service. Le lâcher : l’interrupteur s’ouvre au-dessus de la goulotte, le magnétisme meurt, le lot tombe. 10. Que l’électroaimant vit par son courant : pile qui faiblit, marche plus faible, prise plus faible — le prix de la commandabilité est la dépendance. (L’aimant de pierre ne faiblit jamais — et ne lâche jamais.) 11. Plus de spires, aimant plus fort à courant égal : prise plus ferme. L’autre dose est l’intensité du courant lui-même — l’intensité, mesurée au chapitre suivant. 12. Par exemple : « Thermique : le fusible, qui meurt le premier et fidèlement. Magnétique : le jeu de la grue, qui saisit et lâche sur commande. Chimique : le bocal d’argentage, qui argente des cuillères avec la patience d’une pile. »