Qui a découvert la nature électrique de la foudre grâce à sa célèbre expérience de cerf-volant en 1750 ?
Benjamin Franklin
D'autres travaux ont été menés par Otto von Guericke, Robert Boyle, Stephen Gray et C. F. du Fay. Au XVIIIe siècle, Benjamin Franklin a mené des recherches approfondies sur l'électricité et a vendu ses biens pour financer ses travaux. En juin 1752, il aurait attaché une clé en métal au bas d'une corde de cerf-volant humide et aurait fait voler le cerf-volant dans un ciel menacé de tempête. Une succession d'étincelles jaillissant de la clé jusqu'au dos de sa main démontra que la foudre était bien de nature électrique. Il a également expliqué le comportement apparemment paradoxal du pot de Leyde en tant que dispositif permettant de stocker de grandes quantités de charges électriques en termes d'électricité composée à la fois de charges positives et négatives. La charge des électrons et des protons est de signe opposé, donc une quantité de charge peut être exprimée comme étant négative ou positive. Par convention, la charge portée par les électrons est considérée comme négative, et celle portée par les protons comme positive, une coutume née des travaux de Benjamin Franklin. La quantité de charge porte généralement le symbole Q et est exprimée en coulombs ; chaque électron porte la même charge d'environ −1,6022×10−19 coulomb. Le proton a une charge égale et opposée, et donc +1,6022×10−19 coulomb. La charge n'est pas seulement possédée par la matière, mais aussi par l'antimatière, chaque antiparticule portant une charge égale et opposée à celle de sa particule correspondante.
L'électricité est l'ensemble des phénomènes physiques associés à la présence et à la circulation d'une charge électrique. L'électricité produit une grande variété d'effets bien connus, tels que la foudre, l'électricité statique, l'induction électromagnétique et le courant électrique. De plus, l’électricité permet la création et la réception de rayonnements électromagnétiques tels que les ondes radio.
En électricité, les charges produisent des champs électromagnétiques qui agissent sur d'autres charges. L'électricité est due à plusieurs types de physique :
* charge électrique : propriété de certaines particules subatomiques, qui détermine leurs interactions électromagnétiques. La matière chargée électriquement est influencée par et produit des champs électromagnétiques ; les charges électriques peuvent être positives ou négatives.
* champ électrique (voir électrostatique) : les charges sont entourées d'un champ électrique. Le champ électrique produit une force sur d'autres charges. Les changements dans le champ électrique se propagent à la vitesse de la lumière.
* potentiel électrique : capacité d'un champ électrique à agir sur une charge électrique, généralement mesurée en volts.
* courant électrique : mouvement ou flux de particules chargées électriquement, généralement mesuré en ampères.
* électroaimants : Les charges en mouvement produisent un champ magnétique. Les courants électriques génèrent des champs magnétiques et les champs magnétiques changeants génèrent des courants électriques.
En génie électrique, l’électricité est utilisée pour :
* énergie électrique où le courant électrique est utilisé pour alimenter l'équipement ;
* l'électronique qui traite des circuits électriques impliquant des composants électriques actifs tels que des tubes à vide, des transistors, des diodes et des circuits intégrés, ainsi que des technologies d'interconnexion passive associées.
Les phénomènes électriques sont étudiés depuis l’Antiquité, même si les progrès de la compréhension théorique sont restés lents jusqu’aux XVIIe et XVIIIe siècles. Même à cette époque, les applications pratiques de l’électricité étaient rares et ce n’est qu’à la fin du XIXe siècle que les ingénieurs furent capables de l’utiliser à des fins industrielles et résidentielles. L’expansion rapide de la technologie électrique à cette époque a transformé l’industrie et la société. L'extraordinaire polyvalence de l'électricité signifie qu'elle peut être utilisée dans un ensemble presque illimité d'applications, notamment les transports, le chauffage, l'éclairage, les communications et l'informatique. L’énergie électrique constitue désormais l’épine dorsale de la société industrielle moderne.
Histoire
Bien avant que l’on connaisse l’électricité, les gens étaient conscients des chocs provoqués par les poissons électriques. Les textes égyptiens antiques datant de 2750 avant notre ère faisaient référence à ces poissons sous le nom de « tonnerre du Nil » et les décrivaient comme les « protecteurs » de tous les autres poissons. Les poissons électriques ont de nouveau été signalés des millénaires plus tard par des naturalistes et médecins grecs, romains et arabes. Plusieurs écrivains anciens, tels que Pline l'Ancien et Scribonius Largus, attestaient de l'effet engourdissant des chocs électriques délivrés par le poisson-chat et les rayons électriques, et savaient que de tels chocs pouvaient se propager le long d'objets conducteurs.
 Les patients souffrant de maladies telles que la goutte ou les maux de tête devaient toucher des poissons électriques dans l'espoir que la puissante secousse puisse les guérir.
Il est possible que l'approche la plus ancienne et la plus proche de la découverte de l'identité de la foudre, et de l'électricité provenant de toute autre source, doit être attribuée aux Arabes, qui, avant le XVe siècle, avaient appliqué le mot arabe pour foudre (raad) au rayon électrique.
Les anciennes cultures du pourtour méditerranéen savaient que certains objets, comme les bâtonnets d'ambre, pouvaient être frottés avec de la fourrure de chat pour attirer des objets légers comme des plumes. Thalès de Milet a fait une série d'observations sur l'électricité statique vers 600 avant notre ère, à partir desquelles il pensait que la friction rendait l'ambre magnétique, contrairement aux minéraux comme la magnétite, qui ne nécessitaient aucun frottement.
  Thalès avait tort de croire que l’attraction était due à un effet magnétique, mais la science prouvera plus tard un lien entre le magnétisme et l’électricité. Selon une théorie controversée, les Parthes auraient pu avoir des connaissances en galvanoplastie, basées sur la découverte en 1936 de la batterie de Bagdad, qui ressemble à une cellule galvanique, bien qu'il ne soit pas certain que l'artefact était de nature électrique.
L'électricité ne restera qu'une curiosité intellectuelle pendant des millénaires jusqu'en 1600, lorsque le scientifique anglais William Gilbert fit une étude minutieuse de l'électricité et du magnétisme, distinguant l'effet magnétite de l'électricité statique produite par le frottement de l'ambre. Il a inventé le nouveau mot latin electricus (« d'ambre » ou « comme l'ambre », de ἤλεκτρον, elektron, le mot grec pour « ambre ») pour désigner la propriété d'attirer de petits objets après avoir été frottés. Cette association a donné naissance aux mots anglais « electric » et « electricity », qui ont fait leur première apparition imprimée dans Pseudodoxia Epidemica de Thomas Browne de 1646.
D'autres travaux ont été menés par Otto von Guericke, Robert Boyle, Stephen Gray et C. F. du Fay. Au XVIIIe siècle, Benjamin Franklin a mené des recherches approfondies sur l'électricité et a vendu ses biens pour financer ses travaux. En juin 1752, il aurait attaché une clé en métal au bas d'une corde de cerf-volant humide et aurait fait voler le cerf-volant dans un ciel menacé de tempête. Une succession d'étincelles jaillissant de la clé jusqu'au dos de sa main démontra que la foudre était bien de nature électrique. Il a également expliqué le comportement apparemment paradoxal du pot de Leyde en tant que dispositif permettant de stocker de grandes quantités de charges électriques en termes d'électricité composée à la fois de charges positives et négatives.
En 1791, Luigi Galvani publia sa découverte de la bioélectromagnétique, démontrant que l'électricité était le moyen par lequel les neurones transmettaient les signaux aux muscles.
La pile ou pile voltaïque d'Alessandro Volta datant de 1800, constituée de couches alternées de zinc et de cuivre, a fourni aux scientifiques une source d'énergie électrique plus fiable que les machines électrostatiques utilisées auparavant. La reconnaissance de l'électromagnétisme, l'unité des phénomènes électriques et magnétiques, est due à Hans Christian Ørsted et
André-Marie Ampère en 1819-1820 ; Michael Faraday a inventé le moteur électrique en 1821, et Georg Ohm a analysé mathématiquement le circuit électrique en 1827. L'électricité et le magnétisme (et la lumière) ont été définitivement liés par James Clerk Maxwell, notamment dans son « On Physical Lines of Force » en 1861 et 1862. .
Alors que le début du XIXe siècle avait vu des progrès rapides dans le domaine de la science électrique, la fin du XIXe siècle allait connaître les plus grands progrès en génie électrique. Grâce à des personnes telles qu'Alexander Graham Bell, Ottó Bláthy, Thomas Edison, Galileo Ferraris, Oliver Heaviside, Ányos Jedlik, William Thomson, 1er baron Kelvin, Charles Algernon Parsons, Werner von Siemens, Joseph Swan, Nikola Tesla et George Westinghouse, l'électricité est devenue une curiosité scientifique pour un outil essentiel à la vie moderne, devenu moteur de la deuxième révolution industrielle.
En 1887, Heinrich Hertz découvre que les électrodes éclairées par la lumière ultraviolette créent plus facilement des étincelles électriques. En 1905, Albert Einstein a publié un article expliquant les données expérimentales de l'effet photoélectrique comme étant le résultat de l'énergie lumineuse transportée dans des paquets quantifiés discrets, alimentant les électrons. Cette découverte a conduit à la révolution quantique. Einstein a reçu le prix Nobel de physique en 1921 pour « sa découverte de la loi de l'effet photoélectrique ». L'effet photoélectrique est également utilisé dans les photocellules telles que celles que l'on trouve dans les panneaux solaires et est fréquemment utilisé pour produire de l'électricité commercialement.
Le premier appareil à semi-conducteurs était le « détecteur à moustaches de chat » utilisé pour la première fois dans les années 1900 dans les récepteurs radio. Un fil en forme de moustache est légèrement placé en contact avec un cristal solide (tel qu'un cristal de germanium) afin de détecter un signal radio par effet de jonction de contact. Dans un composant à l'état solide, le courant est confiné à des éléments solides et à des composés spécialement conçus pour le commuter et l'amplifier. Le flux de courant peut être compris sous deux formes : sous forme d’électrons chargés négativement et sous forme de déficits d’électrons chargés positivement appelés trous. Ces charges et trous sont compris en termes de physique quantique. Le matériau de construction est le plus souvent un semi-conducteur cristallin.
Le dispositif à semi-conducteurs a pris son envol avec l'invention du transistor en 1947. Les dispositifs à semi-conducteurs courants comprennent les transistors, les puces de microprocesseur et la RAM. Un type spécialisé de RAM appelé RAM flash est utilisé dans les clés USB et, plus récemment, dans les disques SSD pour remplacer les disques durs à disque magnétique à rotation mécanique. Les dispositifs à semi-conducteurs sont devenus répandus dans les années 1950 et 1960, lors de la transition des tubes à vide vers les diodes semi-conductrices, les transistors, les circuits intégrés (CI) et les diodes électroluminescentes (DEL).
Concepts
Charge électrique
La présence d’une charge donne naissance à une force électrostatique : les charges exercent une force les unes sur les autres, un effet connu, bien que non compris, dans l’Antiquité.
Une balle légère suspendue à une ficelle peut être chargée en la touchant avec une tige de verre elle-même chargée en frottant avec un chiffon. Si une boule similaire est chargée par la même tige de verre, elle repousse la première : la charge agit pour éloigner les deux boules. Deux boules chargées d'une tige d'ambre frottée se repoussent également. Cependant, si une boule est chargée par la tige de verre et l'autre par une tige d'ambre, les deux boules s'attirent l'une l'autre. Ces phénomènes ont été étudiés à la fin du XVIIIe siècle par Charles-Augustin de Coulomb, qui en a déduit que la charge se manifeste sous deux formes opposées. Cette découverte a conduit à l’axiome bien connu : les objets de charge similaire se repoussent et les objets de charge opposée s’attirent.
La force agit sur les particules chargées elles-mêmes, la charge a donc tendance à se répartir aussi uniformément que possible sur une surface conductrice. L'ampleur de la force électromagnétique, qu'elle soit attractive ou répulsive, est donnée par la loi de Coulomb, qui relie la force au produit des charges et a une relation inverse-carrée à la distance qui les sépare.
  La force électromagnétique est très puissante, juste derrière l’interaction forte en termes de force, mais contrairement à cette force, elle agit sur toutes les distances.
En comparaison avec la force gravitationnelle beaucoup plus faible, la force électromagnétique qui sépare deux électrons est 1042 fois supérieure à celle de l’attraction gravitationnelle qui les rapproche.
Des études ont montré que l'origine de la charge provient de certains types de particules subatomiques qui ont la propriété de se charger électriquement. La charge électrique génère et interagit avec la force électromagnétique, l’une des quatre forces fondamentales de la nature. Les porteurs de charge électrique les plus connus sont l’électron et le proton. L'expérience a montré que la charge est une quantité conservée, c'est-à-dire que la charge nette au sein d'un système isolé restera toujours constante quels que soient les changements survenant au sein de ce système. Au sein du système, la charge peut être transférée entre les corps, soit par contact direct, soit en passant le long d'un matériau conducteur, tel qu'un fil. Le terme informel d'électricité statique fait référence à la présence nette (ou « déséquilibre ») de charge sur un corps, généralement causée lorsque des matériaux différents sont frottés ensemble, transférant la charge de l'un à l'autre.
La charge des électrons et des protons est de signe opposé, donc une quantité de charge peut être exprimée comme étant négative ou positive. Par convention, la charge portée par les électrons est considérée comme négative, et celle portée par les protons comme positive, une coutume née des travaux de Benjamin Franklin. La quantité de charge porte généralement le symbole Q et est exprimée en coulombs ; chaque électron porte la même charge d'environ −1,6022×10−19 coulomb. Le proton a une charge égale et opposée, et donc +1,6022×10−19 coulomb. La charge n'est pas seulement possédée par la matière, mais aussi par l'antimatière, chaque antiparticule portant une charge égale et opposée à celle de sa particule correspondante.
La charge peut être mesurée par un certain nombre de moyens, l'un des premiers instruments étant l'électroscope à feuilles d'or, qui, bien que toujours utilisé pour les démonstrations en classe, a été remplacé par l'électromètre électronique.
Courant électrique
Le mouvement d’une charge électrique est appelé courant électrique, dont l’intensité est généralement mesurée en ampères. Le courant peut être constitué de n’importe quelle particule chargée en mouvement ; ce sont le plus souvent des électrons, mais toute charge en mouvement constitue un courant.
Par convention historique, un courant positif est défini comme ayant le même sens de circulation que toute charge positive qu'il contient, ou comme s'écoulant de la partie la plus positive d'un circuit vers la partie la plus négative. Le courant ainsi défini est appelé courant conventionnel. Le mouvement des électrons chargés négativement autour d’un circuit électrique, l’une des formes de courant les plus connues, est ainsi considéré comme positif dans le sens opposé à celui des électrons. Cependant, selon les conditions, un courant électrique peut consister en un flux de particules chargées dans un sens ou dans l’autre, voire dans les deux sens à la fois. La convention du positif au négatif est largement utilisée pour simplifier cette situation.
Le processus par lequel le courant électrique traverse un matériau est appelé conduction électrique et sa nature varie en fonction de celle des particules chargées et du matériau à travers lequel elles voyagent. Des exemples de courants électriques incluent la conduction métallique, où les électrons circulent à travers un conducteur tel qu'un métal, et l'électrolyse, où les ions (atomes chargés) circulent à travers des liquides ou des plasmas tels que des étincelles électriques. Alors que les particules elles-mêmes peuvent se déplacer assez lentement, parfois avec une vitesse de dérive moyenne de seulement quelques fractions de millimètre par seconde, le champ électrique qui les anime se propage lui-même à une vitesse proche de la vitesse de la lumière, permettant aux signaux électriques de passer rapidement le long des fils.
Le courant provoque plusieurs effets observables, qui étaient historiquement le moyen de reconnaître sa présence. Nicholson et Carlisle ont découvert en 1800 que l'eau pouvait être décomposée par le courant d'une pile voltaïque, un processus maintenant connu sous le nom d'électrolyse. Leurs travaux ont été considérablement développés par Michael Faraday en 1833. Le courant traversant une résistance provoque un échauffement localisé, un effet étudié mathématiquement par James Prescott Joule en 1840. L'une des découvertes les plus importantes concernant le courant a été faite accidentellement par Hans Christian Ørsted en 1820, lorsque , alors qu'il préparait une conférence, il a été témoin du courant dans un fil perturbant l'aiguille d'un compas magnétique.
Les récits diffèrent selon que cela s'est produit avant, pendant ou après une conférence. Il avait découvert l'électromagnétisme, une interaction fondamentale entre l'électricité et le magnétique. Le niveau d’émissions électromagnétiques générées par un arc électrique est suffisamment élevé pour produire des interférences électromagnétiques pouvant nuire au fonctionnement des équipements adjacents.
Dans les applications techniques ou domestiques, le courant est souvent décrit comme étant soit du courant continu (DC), soit du courant alternatif (AC). Ces termes font référence à la façon dont le courant varie dans le temps. Le courant continu, tel que produit par exemple à partir d'une batterie et requis par la plupart des appareils électroniques, est un flux unidirectionnel de la partie positive d'un circuit vers la partie négative.
 Si, comme c’est le plus souvent le cas, ce flux est transporté par des électrons, ils se déplaceront dans la direction opposée. Le courant alternatif est tout courant qui inverse la direction à plusieurs reprises ; cela prend presque toujours la forme d’une onde sinusoïdale. Le courant alternatif oscille ainsi dans un conducteur sans que la charge ne parcoure une distance nette au fil du temps. La valeur moyenne dans le temps d'un courant alternatif est nulle, mais il fournit de l'énergie dans un premier sens, puis dans l'autre sens. Le courant alternatif est affecté par des propriétés électriques qui ne sont pas observées sous un courant continu en régime permanent, telles que l'inductance et la capacité. Ces propriétés peuvent cependant devenir importantes lorsque les circuits sont soumis à des transitoires, comme lors de la première mise sous tension.
Champ électrique
Le concept de champ électrique a été introduit par Michael Faraday. Un champ électrique est créé par un corps chargé dans l'espace qui l'entoure et entraîne une force exercée sur toute autre charge placée dans le champ. Le champ électrique agit entre deux charges de la même manière que le champ gravitationnel agit entre deux masses et, comme lui, s'étend vers l'infini et présente une relation carrée inverse avec la distance. Il existe cependant une différence importante. La gravité agit toujours par attraction, rapprochant deux masses, tandis que le champ électrique peut entraîner une attraction ou une répulsion. Étant donné que les grands corps tels que les planètes ne portent généralement aucune charge nette, le champ électrique à distance est généralement nul. Ainsi, la gravité est la force dominante à distance dans l’univers, bien qu’elle soit beaucoup plus faible.
Un champ électrique varie généralement dans l’espace et sa force en un point donné est définie comme la force (par unité de charge) qui serait ressentie par une charge stationnaire négligeable si elle était placée en ce point. La charge conceptuelle, appelée « charge d'essai », doit être extrêmement petite pour empêcher son propre champ électrique de perturber le champ principal et doit également être stationnaire pour empêcher l'effet des champs magnétiques. Comme le champ électrique est défini en termes de force et que la force est un vecteur, il s’ensuit qu’un champ électrique est également un vecteur, ayant à la fois une ampleur et une direction. Plus précisément, il s'agit d'un champ vectoriel.
L'étude des champs électriques créés par des charges stationnaires est appelée électrostatique. Le champ peut être visualisé par un ensemble de lignes imaginaires dont la direction en tout point est la même que celle du champ. Ce concept a été introduit par Faraday, dont le terme « lignes de force » est encore parfois utilisé. Les lignes de champ sont les chemins qu'une charge positive ponctuelle chercherait à emprunter lorsqu'elle serait forcée de se déplacer dans le champ ; il s'agit cependant d'un concept imaginaire sans existence physique, et le champ imprègne tout l'espace intermédiaire entre les lignes. Les lignes de champ émanant de charges stationnaires ont plusieurs propriétés clés : premièrement, elles proviennent de charges positives et se terminent par des charges négatives ; deuxièmement, qu'ils doivent entrer à angle droit dans tout bon conducteur, et troisièmement, qu'ils ne puissent jamais se croiser ni se refermer sur eux-mêmes.
Un corps conducteur creux porte toute sa charge sur sa surface extérieure. Le champ est donc nul en tout endroit à l’intérieur du corps. C'est le principe de fonctionnement de la cage de Faraday, une coque métallique conductrice qui isole son intérieur des effets électriques extérieurs.
Les principes de l’électrostatique sont importants lors de la conception d’équipements haute tension. Il existe une limite finie à l’intensité du champ électrique à laquelle peut résister n’importe quel milieu. Au-delà de ce point, un claquage électrique se produit et un arc électrique provoque un contournement entre les parties chargées. L'air, par exemple, a tendance à former un arc à travers de petits espaces lorsque l'intensité du champ électrique dépasse 30 kV par centimètre. Sur des espaces plus grands, sa résistance au claquage est plus faible, peut-être 1 kV par centimètre.
L'événement naturel le plus visible est la foudre, provoquée lorsque les charges sont séparées dans les nuages ​​par des colonnes d'air ascendantes et élèvent le champ électrique dans l'air à un niveau supérieur à ce qu'il peut supporter. La tension d'un grand nuage d'éclairs peut atteindre 100 MV et ses énergies de décharge peuvent atteindre 250 kWh.
L'intensité du champ est grandement affectée par les objets conducteurs proches, et elle est particulièrement intense lorsqu'elle est forcée de se courber autour d'objets pointus. Ce principe est exploité dans le paratonnerre dont la pointe acérée favorise le développement du coup de foudre à cet endroit plutôt que vers le bâtiment qu'il sert à protéger.
Potentiel électrique
La notion de potentiel électrique est étroitement liée à celle de champ électrique. Une petite charge placée dans un champ électrique subit une force, et pour amener cette charge à ce point contre la force, il faut du travail. Le potentiel électrique en tout point est défini comme l’énergie nécessaire pour amener lentement une charge de test unitaire d’une distance infinie jusqu’à ce point. Il est généralement mesuré en volts, et un volt est le potentiel pour lequel un joule de travail doit être dépensé pour amener une charge d'un coulomb depuis l'infini. Cette définition du potentiel, bien que formelle, a peu d'application pratique, et un concept plus utile est celui de différence de potentiel électrique, qui correspond à l'énergie nécessaire pour déplacer une charge unitaire entre deux points spécifiés. Un champ électrique a la propriété particulière d'être conservateur, ce qui signifie que le chemin emprunté par la charge d'essai n'a pas d'importance : tous les chemins entre deux points spécifiés dépensent la même énergie, et une valeur unique pour la différence de potentiel peut donc être indiquée. Le volt est si fortement identifié comme l’unité de choix pour la mesure et la description de la différence de potentiel électrique que le terme tension est de plus en plus utilisé au quotidien.
Pour des raisons pratiques, il est utile de définir un point de référence commun auquel les potentiels peuvent être exprimés et comparés. Bien que cela puisse être à l'infini, une référence beaucoup plus utile est la Terre elle-même, qui est supposée être partout au même potentiel. Ce point de référence prend naturellement le nom de terre ou de sol. La Terre est supposée être une source infinie de quantités égales de charges positives et négatives, et est donc électriquement non chargée – et non rechargeable.
Le potentiel électrique est une quantité scalaire, c’est-à-dire qu’il n’a qu’une ampleur et non une direction. Cela peut être considéré comme analogue à la hauteur : tout comme un objet libéré tombera à travers une différence de hauteur provoquée par un champ gravitationnel, de même une charge « tombera » à travers la tension provoquée par un champ électrique. Comme les cartes en relief montrent des lignes de contour marquant des points d'égale hauteur, un ensemble de lignes marquant des points d'égal potentiel (appelées équipotentielles) peut être tracé autour d'un objet chargé électrostatiquement. Les équipotentielles traversent toutes les lignes de force à angle droit. Ils doivent également être parallèles à la surface d'un conducteur, sinon cela produirait une force qui déplacerait les porteurs de charge jusqu'au potentiel de la surface.
Le champ électrique a été formellement défini comme la force exercée par unité de charge, mais la notion de potentiel permet une définition plus utile et équivalente : le champ électrique est le gradient local du potentiel électrique. Habituellement exprimée en volts par mètre, la direction vectorielle du champ est la ligne de plus grande pente de potentiel et où les équipotentielles sont les plus proches les unes des autres.
Électro-aimants
La découverte d'Ørsted en 1821 selon laquelle un champ magnétique existait autour de tous les côtés d'un fil transportant un courant électrique indiquait qu'il existait une relation directe entre l'électricité et le magnétisme. De plus, l’interaction semblait différente des forces gravitationnelles et électrostatiques, les deux forces de la nature alors connues. La force exercée sur l'aiguille de la boussole ne la dirigeait pas vers ou loin du fil porteur de courant, mais agissait perpendiculairement à celui-ci. Les mots légèrement obscurs d'Ørsted étaient que « le conflit électrique agit de manière tournante ». La force dépendait également de la direction du courant, car si le flux était inversé, alors la force aussi.
Ørsted n'a pas bien compris sa découverte, mais il a observé que l'effet était réciproque : un courant exerce une force sur un aimant et un champ magnétique exerce une force sur un courant. Le phénomène a été étudié plus en détail par Ampère, qui a découvert que deux fils parallèles porteurs de courant exerçaient une force l'un sur l'autre : deux fils conduisant des courants dans la même direction sont attirés l'un vers l'autre, tandis que les fils contenant des courants dans des directions opposées sont séparés. L’interaction est médiée par le champ magnétique produit par chaque courant et constitue la base de la définition internationale de l’ampère.
Cette relation entre les champs magnétiques et les courants est extrêmement importante, car elle a conduit à l'invention du moteur électrique par Michael Faraday en 1821. Le moteur homopolaire de Faraday était constitué d'un aimant permanent placé dans une mare de mercure. Un courant passait à travers un fil suspendu à un pivot au-dessus de l'aimant et plongé dans le mercure. L'aimant exerçait une force tangentielle sur le fil, le faisant tourner autour de l'aimant aussi longtemps que le courant était maintenu.
L'expérimentation de Faraday en 1831 a révélé qu'un fil se déplaçant perpendiculairement à un champ magnétique développait une différence de potentiel entre ses extrémités. Une analyse plus approfondie de ce processus, connu sous le nom d'induction électromagnétique, lui a permis d'énoncer le principe, maintenant connu sous le nom de loi d'induction de Faraday, selon lequel la différence de potentiel induite dans un circuit fermé est proportionnelle au taux de variation du flux magnétique à travers la boucle. L'exploitation de cette découverte lui permet d'inventer le premier générateur électrique en 1831, dans lequel il convertit l'énergie mécanique d'un disque de cuivre en rotation en énergie électrique. Le disque de Faraday était inefficace et d'aucune utilité en tant que générateur pratique, mais il montrait la possibilité de générer de l'énergie électrique en utilisant le magnétisme, une possibilité qui serait reprise par ceux qui suivraient ses travaux.
Électrochimie
La capacité des réactions chimiques à produire de l’électricité, et inversement, la capacité de l’électricité à provoquer des réactions chimiques ont un large éventail d’utilisations.
L'électrochimie a toujours été une partie importante de l'électricité. Depuis l’invention initiale de la pile voltaïque, les cellules électrochimiques ont évolué vers de nombreux types différents de batteries, de galvanoplastie et de cellules d’électrolyse. L'aluminium est ainsi produit en grande quantité et de nombreux appareils portables sont alimentés électriquement à l'aide de piles rechargeables.
Circuits électriques
Un circuit électrique est une interconnexion de composants électriques de telle sorte que la charge électrique circule le long d’un chemin fermé (un circuit), généralement pour effectuer une tâche utile.
Les composants d’un circuit électrique peuvent prendre de nombreuses formes, notamment des éléments tels que des résistances, des condensateurs, des interrupteurs, des transformateurs et des composants électroniques. Les circuits électroniques contiennent des composants actifs, généralement des semi-conducteurs, et présentent généralement un comportement non linéaire nécessitant une analyse complexe. Les composants électriques les plus simples sont ceux que l’on appelle passifs et linéaires : même s’ils peuvent stocker temporairement de l’énergie, ils n’en contiennent aucune source et présentent des réponses linéaires aux stimuli.
La résistance est peut-être le plus simple des éléments de circuit passif : comme son nom l’indique, elle résiste au courant qui la traverse, dissipant son énergie sous forme de chaleur. La résistance est une conséquence du mouvement de la charge à travers un conducteur : dans les métaux, par exemple, la résistance est principalement due aux collisions entre électrons et ions. La loi d'Ohm est une loi fondamentale de la théorie des circuits, stipulant que le courant traversant une résistance est directement proportionnel à la différence de potentiel qui la traverse. La résistance de la plupart des matériaux est relativement constante sur une plage de températures et de courants ; les matériaux dans ces conditions sont appelés « ohmiques ». L'ohm, unité de résistance, doit son nom à Georg Ohm et est symbolisé par la lettre grecque Ω. 1 Ω est la résistance qui produira une différence de potentiel d'un volt en réponse à un courant d'un ampère.
Le condensateur est un développement du pot de Leyde et est un dispositif capable de stocker une charge et donc de stocker de l'énergie électrique dans le champ résultant. Il se compose de deux plaques conductrices séparées par une fine couche diélectrique isolante ; en pratique, de fines feuilles métalliques sont enroulées ensemble, augmentant ainsi la surface par unité de volume et donc la capacité. L'unité de capacité est le farad, du nom de Michael Faraday, et étant donné le symbole F : un farad est la capacité qui développe une différence de potentiel d'un volt lorsqu'elle stocke une charge d'un coulomb. Un condensateur connecté à une alimentation en tension provoque initialement un courant à mesure qu'il accumule des charges ; ce courant diminuera cependant avec le temps à mesure que le condensateur se remplit, pour finalement tomber à zéro. Un condensateur ne permettra donc pas un courant stable, mais le bloquera.
L'inducteur est un conducteur, généralement une bobine de fil, qui stocke l'énergie dans un champ magnétique en réponse au courant qui le traverse. Lorsque le courant change, le champ magnétique change également, induisant une tension entre les extrémités du conducteur. La tension induite est proportionnelle à la vitesse de variation temporelle du courant. La constante de proportionnalité est appelée inductance. L'unité d'inductance est le Henry, du nom de Joseph Henry, contemporain de Faraday. Un Henry est l'inductance qui induira une différence de potentiel d'un volt si le courant qui la traverse change à raison d'un ampère par seconde. Le comportement de l'inducteur est à certains égards inverse à celui du condensateur : il autorisera librement un courant inchangé, mais s'opposera à un courant changeant rapidement.
Pouvoir électrique
La puissance électrique est la vitesse à laquelle l'énergie électrique est transférée par un circuit électrique. L'unité SI de puissance est le watt, un joule par seconde.
La puissance électrique, comme la puissance mécanique, est la vitesse d'exécution d'un travail, mesurée en watts et représentée par la lettre P. Le terme puissance en watts est utilisé familièrement pour signifier « puissance électrique en watts ». La puissance électrique en watts produite par un courant électrique I constitué d'une charge de Q coulombs toutes les t secondes traversant une différence de potentiel électrique (tension) de V est
P \text{travail effectué par unité de temps}
 \frac {QV}{t} = IV\,
où
Q est la charge électrique en coulombs
c'est le temps en secondes
I est le courant électrique en ampères
V est le potentiel électrique ou la tension en volts
La production d'électricité se fait souvent à l'aide de générateurs électriques, mais peut également être fournie par des sources chimiques telles que des batteries électriques ou par d'autres moyens provenant d'une grande variété de sources d'énergie. L'énergie électrique est généralement fournie aux entreprises et aux foyers par l'industrie de l'énergie électrique. L'électricité est généralement vendue au kilowattheure (3,6 MJ), qui est le produit de la puissance en kilowatts multipliée par la durée de fonctionnement en heures. Les services publics d’électricité mesurent la puissance à l’aide de compteurs électriques, qui enregistrent le total cumulé de l’énergie électrique livrée à un client. Contrairement aux combustibles fossiles, l’électricité est une forme d’énergie à faible entropie et peut être convertie en mouvement ou en de nombreuses autres formes d’énergie avec un rendement élevé.
Électronique
L'électronique traite des circuits électriques qui impliquent des composants électriques actifs tels que des tubes à vide, des transistors, des diodes et des circuits intégrés, ainsi que des technologies d'interconnexion passive associées. Le comportement non linéaire des composants actifs et leur capacité à contrôler les flux d'électrons rendent possible l'amplification de signaux faibles et l'électronique est largement utilisée dans le traitement de l'information, les télécommunications et le traitement du signal. La capacité des appareils électroniques à agir comme des commutateurs rend possible le traitement de l’information numérique. Les technologies d'interconnexion telles que les cartes de circuits imprimés, la technologie de conditionnement électronique et d'autres formes variées d'infrastructure de communication complètent la fonctionnalité du circuit et transforment les composants mixtes en un système fonctionnel régulier.
Aujourd'hui, la plupart des appareils électroniques utilisent des composants semi-conducteurs pour effectuer le contrôle des électrons. L'étude des dispositifs semi-conducteurs et des technologies associées est considérée comme une branche de la physique du solide, tandis que la conception et la construction de circuits électroniques pour résoudre des problèmes pratiques relèvent du génie électronique.
Onde électromagnétique
Les travaux de Faraday et d'Ampère ont montré qu'un champ magnétique variable dans le temps agissait comme une source de champ électrique, et qu'un champ électrique variable dans le temps était une source de champ magnétique. Ainsi, lorsque l’un ou l’autre champ change dans le temps, alors un champ de l’autre est nécessairement induit. Un tel phénomène a les propriétés d’une onde, et est naturellement appelé onde électromagnétique. Les ondes électromagnétiques ont été analysées théoriquement par James Clerk Maxwell en 1864. Maxwell a développé un ensemble d'équations capables de décrire sans ambiguïté la relation entre le champ électrique, le champ magnétique, la charge électrique et le courant électrique. Il pouvait en outre prouver qu’une telle onde se propagerait nécessairement à la vitesse de la lumière et que la lumière elle-même était donc une forme de rayonnement électromagnétique. Les lois de Maxwell, qui unifient la lumière, les champs et la charge, constituent l'une des grandes étapes de la physique théorique.
Ainsi, les travaux de nombreux chercheurs ont permis d'utiliser l'électronique pour convertir les signaux en courants oscillants à haute fréquence, et via des conducteurs de forme adaptée, l'électricité permet la transmission et la réception de ces signaux via des ondes radio sur de très longues distances.
Production et utilisations
Génération et transmission
Au 6ème siècle avant JC, le philosophe grec Thalès de Milet a expérimenté des tiges d'ambre et ces expériences