Électrocinétique
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L'Électrocinétique, est l'étude de circuits électriques et, est surtout celle du déplacement de l'électricité dans les milieux matériels, par opposition à l'électrostatique qui étudie les phénomènes et les lois relatives à l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne...) immobile.

Définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les définitions réelles et les définitions...) scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.)

"Ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme...) des phénomènes et des lois relatifs aux charges électriques en mouvement "

(Dictionnaire de physique, J.-P. Mathieu, A. Kastler et P. Fleury, 1991, Editions Masson et Eyrolles)

Principaux domaines

L'électrocinétique est une partie de l'électricité qui étudie les circuits électriques dans le cadre de l'approximation (Une approximation est une représentation grossière c'est-à-dire manquant de précision et d'exactitude, de quelque chose, mais encore assez significative pour être utile. Bien qu'une...) des régimes quasi-stationnaires]. C'est une discipline essentielle pour l'électronique et l'électrotechnique (Étymologiquement l'électrotechnique désigne l'étude des applications techniques de l'électricité. En réalité, l'électrotechnique regroupe les disciplines traitant l'électricité en tant...).

L'électrocinétique comprend les études :

  • De la typologie des circuits ;
  • Des dipôles : classification, modélisation par des dipôles idéaux, association,…
  • Du comportement des circuits lorsqu'ils sont soumis à des tensions particulières.

L'approximation des régimes quasi-stationnaires consiste à considérer l'électricité comme un fluide parfait (En mécanique des fluides, un fluide est dit parfait s'il est possible de décrire son mouvement sans prendre en compte les effets de viscosité, ainsi que de conductivité thermique. Avec en sus l'hypothèse, de...) et incompressible. La conséquence en est que l'intensité du courant qui entre à l'extrémité d'un conducteur est exactement identique à celle qui sort à l'autre extrémité.

Cela revient à considérer que dans chaque élément de volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) du circuit électrique (Un circuit électrique est un ensemble simple ou complexe de conducteurs et de composants électriques ou électroniques parcouru par un courant électrique.), la densité de charge (La densité de charge électrique correspond au rapport de la charge sur le volume. Elle peut être exprimée en coulomb par mètre cube (C/m3).) stockée est constante au cours du temps :

\operatorname{div} \vec{J} = 0

Pour cela il faut que le produit de la dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si...) du circuit par la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot fréquence sans précision, on...) des intensités considérées soit très inférieur à la célérité (La célérité (traditionnellement notée c) est la vitesse de propagation d'un phénomène ondulatoire. Elle varie selon les composantes fréquentielles...) de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement...) dans le matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base...) dont est fait le circuit. Par exemple, pour des fréquences de l'ordre de 1 MHz, la dimension du circuit doit être très inférieure à 300 m.

Bases de l'électrocinétique

L'électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre elles, c’est-à-dire de leurs interactions.) étudie les forces qui s'exercent sur des charges fixes. Elle définit la tension (La tension est une force d'extension.) U (exprimée en volt) et le champ électrique (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point de l'espace l'influence exercée à distance par des...) \vec E (en coulomb).

Lorsque ces charges sont libres, elle vont migrer sous l'effet de cette force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale...), créant un courant électrique ; le flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus...) de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire...) est exprimé par le vecteur densité de courant (On notant i le courant électrique dans une portion de conducteur, et soit un vecteur élément de surface d'une section droite de ce conducteur, on pose  :) \vec{J} (en ampère (Ampère peut désigner :) par mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international (SI). Il est défini, depuis 1983, comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en...) carré), ou dans un circuit par l'intensité I (en ampère).

Ces charges mobiles peuvent être :

  • des électrons ou des ions " volant " dans le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) (tube cathodique, spectrométrie de masse…) ;
  • des ions dans une solution aqueuse ou un gel (électrolyse, pont (Un pont est une construction qui permet de franchir une dépression ou un obstacle (cours d'eau, voie de communication, vallée, etc.) en passant par-dessus...) salin…) ;
  • des électrons libres et des trous d'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) dans un cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot. Selon l'Union...) (métal, semi-conducteur…) ;

voir l'article détaillé Conducteur (physique).

Ce courant peut être :

  • continu : les valeurs des tensions et des intensités sont constantes (mais varient selon l'endroit considéré) ;
  • alternatif : les valeurs varient en fonction du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.).

Dans le cas le plus simple, l'intensité du courant est proportionnelle à la tension (loi d'Ohm) ; la constante de proportionnalité (On dit que deux mesures sont proportionnelles quand on peut passer de l'une à l'autre en multipliant par une constante appelée coefficient de proportionnalité.) permet de définir la résistivité du matériau, et pour un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une...) sa résistance (en ohm). On peut ainsi étudier un certain nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de montages simples, par exemple :

  • diviseur de tension (Le pont diviseur de tension est un montage électronique simple permettant d'obtenir une tension proportionnelle à une autre tension.)
  • pont de Wheatstone

Cependant, d'autre phénomènes interviennent, et notamment :

  • réaction chimique : électrolyse (Dans l'industrie chimique, l'électrolyse est une méthode de séparation d'éléments ou de composés chimiques liés utilisant l'électricité.), pile électrique (Une pile électrique (ou plus simplement pile) est un dispositif électrochimique transformant l'énergie d'une réaction chimique en énergie...), accumulateur, création d'une paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :) électron libre/trou d'électron…
  • accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique,...) d'une masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force...) (moteur électrique)
  • l'accumulation de charges en un endroit (condensateur) ;
  • le électromagnétisme (L'électromagnétisme est une branche de la physique qui fournit un cadre très général d'étude des phénomènes électriques et magnétiques dans leur synthèse du champ...) (auto-induction) ;
  • l'émission thermo-ionique ;
  • l'effet tunnel (L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir une barrière de potentiel, franchissement impossible selon la mécanique classique. Généralement, la fonction d'onde d'une particule,...).

L'accumulation de charge et l'auto-induction (L'auto-induction est la propriété électromagnétique remarquable qu'a un conducteur parcouru par un courant électrique, de s'opposer aux variations de celui-ci.) mènent à l'étude des circuits RLC, avec en particulier la notion de filtre (Un filtre est un système servant à séparer des éléments dans un flux.) en courant alternatif (Le courant alternatif (qui peut être abrégé par CA, ou AC, pour Alternating Current en anglais, étant cependant souvent utilisé) est un...). La création d'une paire électron/trou d'électron, l'effet thermo-ionique et l'effet tunnel (Un tunnel est une galerie souterraine livrant passage à une voie de communication (chemin de fer, canal, route, chemin piétonnier). Sont...) jouent un rôle primordial dans les composants électroniques.

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