courant électrique

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Cet article fait partie du dossier consacré à l'électricité.


Courant électrique : tension et intensité
Déplacement de charges électriques dans un conducteur.

ÉLECTRICITÉ
INTENSITÉ D'UN COURANT ÉLECTRIQUE

Dans un conducteur, où existent des charges électriques, le produit de la densité volumique des charges par leur vecteur vitesse moyenne est le vecteur densité de courant. Le courant i traversant une surface donnée est défini comme le flux de la densité de courant à travers cette surface, ou comme le quotient de la charge d q qui traverse la surface pendant un temps d t :



Dans la formule, l'intensité du courant i se mesure en ampères (A) ; la charge d q se mesure en coulombs (C) ; le temps dt se mesure en secondes (s).

PROPRIÉTÉS D’UN COURANT ÉLECTRIQUE
Lorsqu'un conducteur est traversé par un courant électrique, on peut observer les trois phénomènes suivants :
1° effet calorifique : le conducteur est le siège d'un dégagement de chaleur (effet Joule) ;
2° effet électromagnétique : il y a création d'un champ magnétique dans l'espace environnant ;
3° effet électrochimique : si on coupe le conducteur et si on plonge les extrémités dans une solution saline, il se produit une décomposition chimique de la solution (un courant peut déplacer les ions d'un électrolyte).
LE SENS DU COURANT ÉLECTRIQUE

Pour définir le sens du courant électrique, André Marie Ampère a choisi arbitrairement celui du déplacement des charges positives : c'est ce qu'on appelle aujourd'hui le « sens conventionnel » du courant. Les électrons se déplacent donc dans le sens inverse du sens conventionnel. Dans un circuit, le courant (sens conventionnel) sort de la pile par la borne positive et se dirige vers sa borne négative.

LA RELATION ENTRE LE COURANT ET LA TENSION

La différence de potentiel (ddp) entre les deux bornes d'une pile (ou entre les deux soudures d'un couple thermoélectrique) est la cause de la circulation de l'électricité dans un conducteur. En général, lorsque la ddp augmente, l'intensité du courant augmente aussi. Pour les conducteurs métalliques, le physicien allemand Georg Simon Ohm montra en 1827 que l'intensité du courant et la ddp sont proportionnelles : avec une pile fournissant une ddp deux fois plus grande, le courant est deux fois plus intense. De même, dans un tuyau, le débit d'eau est deux fois plus élevé si la différence de hauteur entre les deux extrémités du tuyau double.

Pour une même pile, et donc une même ddp, le courant dépend aussi du conducteur qui relie les deux pôles de la pile. On appelle résistance la grandeur caractéristique d'un conducteur, telle que : U = RI, où R se mesure en ohms (Ω), U en volts (V) et I en ampères (A). Ainsi, lorsque l'intensité est faible, on dit que le conducteur est très résistant ; lorsqu'elle est forte, on dit qu'il est peu résistant. La résistance d'un conducteur dépend de sa nature (cuivre, argent…), de sa longueur et de sa section. Un fil court offre une résistance plus faible qu'un fil long, un fil fin présente un passage plus difficile aux charges, et donc une résistance plus importante, qu'un fil large. La résistance varie aussi avec la température.

La loi d'Ohm n'est pas valable pour tous les conducteurs. Ainsi, l'étincelle qui se produit entre deux points d'un circuit séparés par un espace d'air et forme un « arc » extrêmement lumineux entre deux charbons ne vérifie pas la loi d'Ohm.

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La fabrication de la lumière laser

Les lasers produisent une lumière domptée bien différente de la lumière ordinaire produite par le Soleil ou les ampoules. Les propriétés du laser vont être à la base d'applications utilisant ce type de lumière.

Publié le 30 juin 2015

Au service de la science, de la médecine, du transport de l’information, de l’industrie et au cœur de notre vie quotidienne, le laser est partout présent.

INTRODUCTION
Dans les années 1960 naissaient les premiers LASERs, acronyme de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplification de lumière par émission stimulée de rayonnement). Très vite, leur lumière magique a trouvé de multiples applications. Les lasers se sont installés dans notre vie quotidienne : CD, DVD, dans nos imprimantes et les lecteurs de codes-barres des supermarchés. Ils font la beauté des spectacles qui portent leur nom. D’autres, dans l’industrie, coupent, soudent et percent. Les faisceaux rectilignes des lasers servent aussi à aligner des routes, des tunnels… En médecine, ils réparent ou brûlent les zones malades sans toucher aux parties saines. Mais pourquoi les lasers sont-ils capables de faire toutes ces choses alors que la lumière ordinaire, émise par le Soleil ou une ampoule, ne peut pas les réaliser ?

Le CEA travaille depuis longtemps sur toutes les formes de lasers. Les chercheurs les utilisent dans leurs travaux pour des applications classiques (alignement, perçage, spectroscopie…) et en développent de nouveaux pour des usages spécifiques et innovants. C’est le cas de nombreux lasers de puissance grâce auxquels ils étudient, par exemple, l’interaction d’une impulsion lumineuse très intense avec la matière. Outils indispensables pour de nombreuses applications, il ne faut pourtant pas ignorer les risques associés à leur manipulation, puisqu’ils véhiculent de l’énergie, ni oublier les précautions d’utilisation.

COMPARAISON DE LA LUMIÈRE ORDINAIRE ET DE LA LUMIÈRE LASER
Les lasers produisent une lumière bien différente de la lumière ordinaire produite par le Soleil ou les ampoules. Le tableau ci-dessous dresse leurs portraits robots et liste leurs dissemblances.

L’ÉMISSION STIMULÉE
Un atome, un ion ou une molécule excité peut libérer son énergie par « émission spontanée » d’un photon.
Il existe un autre mode prévu par Albert Einstein en 1917. Une particule (atome, ion ou molécule) excitée, qui reçoit un photon de la même énergie que celui qu’elle pourrait émettre de manière spontanée, émet un photon par l’effet dit « d’émission stimulée ». La particularité de ce type d’émission est que le photon stimulé prend strictement les mêmes caractéristiques (couleur, direction et phase) que le photon incident, comme si le second était la photocopie du premier.

L’INVERSION DE POPULATION
L’émission stimulée agit donc comme une duplication de la lumière. En répétant de nombreuses fois ce phénomène, il est possible de créer une lumière qui est composée de photons tous identiques, de même couleur, émis dans la même direction comme s’ils étaient la copie conforme les uns des autres : c’est la lumière laser.
Les caractéristiques particulières de la lumière laser sont exploitées dans de multiples domaines.

La seule découverte de l’émission stimulée n’a cependant pas été suffisante pour créer des lasers. En effet, dans la matière, les atomes, les ions ou les molécules sont beaucoup plus nombreux dans un état non excité que dans un état excité. Un photon incident a ainsi une probabilité plus grande d’être absorbé que  d’engendrer un photon par émission stimulée. Pour produire de la lumière laser, il faut trouver un moyen de renverser la tendance et d’obtenir un milieu contenant plus de particules excitées que de particules au repos. Ce processus est appelé inversion de population.
Le physicien français Alfred Kastler, en 1949, a apporté une solution à ce problème : le pompage optique, qui permet de transférer de l’énergie lumineuse à des atomes. Ces résultats lui valurent le prix Nobel de physique en 1966. Le premier milieu utilisé a été le rubis : éclairé par de la lumière blanche, il absorbe une partie des couleurs (du vert au bleu) et émet de la lumière rouge (694,3 nanomètres de longueur d’onde), de manière stimulée ou non. Le pompage optique n’est pas la seule façon d’obtenir l’inversion de population, celle-ci peut aussi être provoquée, puis entretenue et par décharge électrique et certaines réactions chimiques.


Constant et ordonné, le faisceau laser reste monochromatique, fin et directionnel.


L’OSCILLATEUR LASER
Pour fabriquer la lumière laser, il faut une source d’énergie et un oscillateur laser.
L’oscillateur est une sorte de cylindre allongé avec un miroir à chacune de ses extrémités. Il est empli du milieu laser, matériau solide, liquide ou gazeux contenant des particules capables d’émettre des photons. Par exemple, le rubis est un milieu laser solide dont les atomes excitables sont ceux du chrome.

Comment l’oscillateur laser produit la lumière ?
Imaginons un photon émis spontanément dans le milieu laser dont la trajectoire est perpendiculaire aux plans des miroirs. En rencontrant une particule excitée, il va stimuler l’émission d’un deuxième photon. Les deux photons identiques peuvent à leur tour stimuler d’autres émissions de photons et ainsi de suite, jusqu’à ce que le groupe de photons rencontre le miroir. Leur trajectoire étant perpendiculaire au plan de celui-ci, ils seront renvoyés strictement en sens inverse et continueront de nouveau à provoquer des émissions stimulées. Dans cette réaction en chaîne, le nombre de photons identiques qui vont et viennent entre les miroirs va donc augmenter à chaque passage : la lumière laser est amplifiée. Pour que l’amplification soit efficace, il faut que les ondes de photons restent en phase après un aller-retour, c’est ce qui donne sa cohérence à la lumière. Pour que le faisceau sorte de l’oscillateur laser, l’un des deux miroirs est partiellement transparent, comme peut l’être un miroir sans tain. La plupart des photons sont réfléchis mais certains le traversent, permettant ainsi au faisceau laser de sortir.
Pour qu’un oscillateur produise de la lumière laser en continu, il faut que la source d’énergie, de type lumineuse, électrique ou chimique, soit elle-même continue. Après une rapide phase de mise en route, la lumière garde une puissance constante. Il existe des cavités laser capables d’émettre la lumière laser de manière discontinue, par impulsions brèves et intenses. On dit alors que le laser est impulsionnel.


LES AMPLIFICATEURS LASER
La lumière laser produite par un oscillateur peut, pour certaines applications, être utilisée directement. Mais dans le cas où il est nécessaire d’avoir une puissance beaucoup plus grande, il faut amplifier la puissance véhiculée par la lumière laser émise par l’oscillateur par une série d’amplificateurs. L’amplificateur est constitué d’un milieu laser. Son principe de fonctionnement est le même que celui de l’oscillateur. Les particules du milieu laser de l’amplificateur sont excitées par le faisceau laser sortant de l’oscillateur et les photons qui vont traverser l’amplificateur vont produire par réaction en chaîne de nombreux autres photons identiques : la puissance de la lumière laser est amplifiée. Pour obtenir la puissance recherchée, plusieurs amplificateurs sont placés sur la trajectoire du faisceau laser. Au fur et à mesure de l’augmentation de la puissance, il faut augmenter le diamètre du faisceau et des amplificateurs, pour éviter que les composants optiques (milieux laser en verre, miroirs, lentilles…), soumis à l’énergie grandissante de la lumière laser, ne soient endommagés. La série constituée de l’oscillateur, des amplificateurs et des autres composants optiques constitue une chaîne laser.

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La diversité des rayonnements

L’homme est exposé à toutes formes de rayonnements naturels provenant du sol, de l’espace, du Soleil, et même dans son propre corps.

Publié le 1 juillet 2014


Soleil, espace, éléments radioactifs… Les sources de rayonnement sont multiples.

NOTRE MONDE, UN BAIN DE RAYONNEMENTS
L’homme est exposé aux rayonnements depuis son apparition sur Terre. Il est, par exemple, exposé aux rayonnements solaires, c’est-à-dire à la lumière visible provenant du Soleil, laquelle s’accompagne de rayonnements invisibles. Ce sont des ondes électromagnétiques : les rayons gamma, les rayons X, les ultraviolets, les infrarouges, les micro-ondes et les ondes radio. L’atmosphère agit comme un filtre et certains n’atteignent pas la surface terrestre.
L’homme est également exposé à d’autres rayonnements invisibles qui proviennent de l’espace et du Soleil, connus sous le nom de rayonnements cosmiques. Ces rayonnements de très grande énergie (ondes et particules) sont capables de traverser d’épaisses couches de roches.

Le pouvoir pénétrant des rayonnements ionisants est variable selon leur nature.
Des rayonnements aux multiples facettes : pour le traitement d’objets d’art, la radiographie et dans un réacteur nucléaire.


© P.Allard/REA/CEA
Dans la nature, la plupart des noyaux d’atome sont stables, d’autres non. Ces derniers se transforment alors spontanément, et de façon irréversible, en d’autres atomes plus stables. Ces transformations successives, appelées désintégrations, s’accompagnent d’émissions de différents types de rayonnements : alpha, bêta et gamma (voir le dossier pédagogique sur la radioactivité). Les rayonnements gamma sont des ondes électromagnétiques tandis que les rayonnements alpha et bêta sont des particules, respectivement un noyau d’hélium et un électron.
L’activité d’un élément radioactif, c’est-à-dire le nombre de désintégrations par seconde dans une certaine masse de cet élément, est mesurée en becquerels. Parmi les rayonnements particulaires existent aussi les neutrons.



LES DIFFÉRENTS RAYONNEMENTS IONISANTS
Les rayonnements les plus énergétiques transfèrent assez d’énergie aux électrons de la matière pour les arracher de leur atome. Les atomes ainsi privés de certains de leurs électrons sont alors chargés positivement. Les atomes voisins qui accueillent les électrons se chargent négativement. Les atomes chargés positivement ou négativement sont appelés ions. Les rayonnements capables de provoquer de telles réactions sont dits ionisants (voir schéma ci-dessus).
Les rayonnements ionisants regroupent :
*         les rayonnements cosmiques,
*         les ondes électromagnétiques les plus énergétiques, soit les rayonnements X et gamma.

Les rayons X peuvent être produits par un faisceau d’électrons envoyé sur une cible métallique. Ces électrons interagissent avec les électrons des atomes du métal, en émettant des rayons X.

Lors de leur désintégration, les atomes radioactifs émettent des rayons gamma.

Les différents rayonnements

La radioactivité au quotidien

Le synchrotron

*         les rayonnements alpha, bêta plus et bêta moins (particules émises par des atomes radioactifs lors de leur désintégration),
*         les neutrons libres qui sont surtout présents dans les réacteurs nucléaires ; ils sont émis, par exemple, lors de la fission d’atomes d’uranium 235 (voir le dossier pédagogique sur le fonctionnement d’un réacteur nucléaire). Ils sont indirectement ionisants car c’est leur capture par les noyaux ou leur interaction avec ceux-ci qui génère des rayonnements gamma et/ou diverses particules. Les neutrons sont aussi présents aux altitudes de vol des avions longs courriers et subsoniques : ils participent à 30 % de la dose reçue par le personnel navigant.
*        
Les autres rayonnements sont appelés rayonnements non ionisants et comprennent les ondes électromagnétiques les moins énergétiques.
Pouvoir de pénétration des rayonnements ionisants
*         Particules alpha. Pénétration très faible dans l’air. Une simple feuille de papier est suffisante pour arrêter les noyaux d’hélium.
*         Particules bêta moins : électrons. Pénétration faible. Parcourent quelques mètres dans l’air. Une feuille d’aluminium de quelques millimètres peut arrêter les électrons.
*         Rayonnements X et gamma. Pénétration très grande, fonction de l’énergie du rayonnement : plusieurs centaines de mètres dans l’air. Une forte épaisseur de béton ou de plomb permet de s’en protéger.
*         Neutrons. Pénétration dépendante de leur énergie. Une forte épaisseur de béton, d’eau ou de paraffine arrête les neutrons.


LA PÉNÉTRATION DES RAYONNEMENTS DANS LA MATIÈRE
Par leur énergie, les rayonnements ionisants sont pénétrants, c’est-à-dire qu’ils peuvent traverser la matière. Cependant, le pouvoir de pénétration est différent pour chacun d’entre eux, ce qui définit des épaisseurs différentes de matériaux pour se protéger.

Au coeur de cette piscine de réacteur, la décroissance des noyaux radioactifs libère des électrons à une vitesse supérieure à celle de la lumière de l’eau, produisant l’effet Tcherenkov. © G.Lesénéchal/CEA
Mentionnons que les positons (rayonnements bêta plus) sont pratiquement absorbés sur place : un positon s’annihile avec le premier électron rencontré sur son passage en formant deux photons gamma, ce qui ramène le problème au cas du rayonnement gamma (voir schéma ci-dessus).


L'ÉNERGIE ABSORBÉE PAR LA MATIÈRE
Lorsqu’un rayonnement pénètre la matière, il interagit avec elle et lui transfère de l’énergie. La dose absorbée par la matière caractérise ce transfert d’énergie.
L’unité de dose absorbée par la matière est le gray (Gy) qui est équivalent à un joule absorbé par kilogramme de matière (voir le dossier pédagogique sur l'énergie).

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FONDAMENTAL

Question de la semaine : C'est quoi le Boson de Higgs ?

Par Azar Khalatbari le 10.08.2018 à 16h09

Chaque semaine, Sciences et Avenir répond à une question posée par ses lecteurs. Cette semaine, retours sur une découverte phare : celle du Boson de Higgs.

AFP
"Mais bordel, c'est quoi le boson de Higgs ?" nous demande avec enthousiasme Leonard Bertos sur la page Facebook de Sciences et Avenir.


En fait, cela est bien plus simple qu'il n'y paraît. En juillet 2012 le Cern annonçait la découverte du "boson de Higgs", une particule dont l’existence avait été supposée en 1964 par trois chercheurs, deux Belges François Englert et Robert Brout, et puis indépendamment par l’Ecossais Peter Higgs, même si l’histoire n’a retenu que le nom de ce dernier.
Pour résumer sa fonction, il a souvent été dit que " Le boson de Higgs est responsable de la masse de tout ce qui nous entoure ", un raccourci qui nécessite d’être décrypté.  Si les objets qui nous entourent ont une masse, c’est parce que les particules qui les composent, ont interagi, dans un passé lointain avec le champ de Higgs : les électrons, mais aussi les quarks qui rentrent dans la composition des nucléons -proton et neutron. Cela ne nous surprend plus car nous sommes très habitués à ce que les objets qui nous entourent possèdent une masse.


Qu'est ce que le Boson de Higgs

Selon le modèle standard, la particule ainsi piégée au Cern a existé pendant les premières fractions de seconde après le Big-Bang soit lorsque l’Univers était âgé de 10-10 seconde et la température frôlait les 1015 degrés. Avec le LHC, le grand collisionneur à Hadrons de l’institution européenne, les physiciens ont pu créer exactement ces conditions. Dans cet univers extrêmement chaud et dense des débuts, le boson BEH a pu se matérialiser  et décroître aussitôt en se désintégrant en un ensemble de particules d’énergie bien précise. Leur détection est une preuve indirecte de sa présence.

Le chaînon manquant
La découverte du BEH annoncée en juillet 2012 permet de valider l’ensemble du modèle standard. Selon ce modèle, aujourd’hui dans l’Univers tous les phénomènes qui nous entourent, sont l’œuvre de quatre interactions fondamentales : la gravité explique la chute des corps et la ronde des planètes, la force électromagnétique est à l’origine de la lumière et de l’aimantation, l’interaction faible explique la radioactivité de certains noyaux atomique tandis que l’interaction forte explique la cohésion même du noyau de l’atome. Pourquoi quatre forces ? Les physiciens ne le savent pas encore, mais pour bon nombre d’entre eux, dans les toutes premières fractions de seconde de l’Univers, une seule et même force régissait l’Univers tout entier. C’est la Théorie du tout que certains cherchent à reconstituer.

Unifier les forces
Sur ce chemin, un pas important a été franchi en 1960 : Sheldon Glashow, Abdus Salam et Stephen Weinberg, qui ont été tous les trois lauréats du prix Nobel de physique 1979, ont réussi à démontrer que lorsque la température de l’Univers était de l’ordre de 1018  degrés, la force électromagnétique et la force "faible" étaient unifiées sous le nom de l’interaction électrofaible. Or, la force électromagnétique se manifeste par l’émission d’une particule sans masse, le photon- tandis que les particules médiatrices, W et Z sont massives.

Que s’est-il donc passé, pour qu’à un moment donné de l’histoire de l’Univers, la force électrofaible disparaisse en donnant naissance à deux forces aussi différentes ? C’est pour répondre à cette question que l’hypothèse du boson de BEH a été formulée. Avant son existence, les particules étaient dénuées de masse, après interaction avec le BEH , elles ont acquis une masse. Ainsi le mécanisme qui a donné naissance au boson de BEH est à l’origine de la masse dans l’Univers … Le Cern a donc trouvé la recette du boson.. reste encore à déterminer minutieusement ses propriétés … C’est à cette tâche que vont s’atteler les physiciens maintenant.

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