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Pourquoi les oiseaux ne s’électrocutent-ils pas sur les lignes électriques ?

Pour que le courant  »passe », il faut qu’il ait un endroit où aller. L’électricité conduite par le fil ne  »change de chemin » que si le fil se trouve relié à la terre. Les lignes électriques sont isolées du sol. Les oiseaux qui ne touchent que le fil ne risquent donc rien. Par contre, si un grand oiseau touche à la fois la ligne et le pylône qui touche le sol, alors il s’électrocutera car le courant du fil se déchargera alors dans le sol par le pylône. D’ailleurs, pour isoler au mieux les lignes des pylônes, on place des porcelaines entre les deux car la céramique et très isolante.

On ne risque l’électrocution que si le corps fait le lien entre deux éléments conducteurs (fils, sol, eau…) et permet ainsi le passage du courant électrique. Dans le cas des oiseaux, il n’y a pas de risque d’électrocution car ceux-ci ne sont en contact qu’avec le fil (conducteur) et l’air (isolant). En revanche, si un oiseau est assez grand pour toucher deux fils ou un fil et l’armature métallique du poteau électrique, alors gare aux étincelles ! Il arrive ainsi parfois que des oiseaux de grande taille (rapaces, cigognes, oiseaux marins) s’électrocutent par malchance.

 Au fait c’est quoi l’électricité ?

L’électricité est porté par la matière ou si l’on veut la matière contient l’électricité. L’électricité résulte du mouvement de minuscules grains électriques: les électrons.

L’atome = un mini système solaire: au centre un noyau lourd charges électriquement  mais positivement autour duquel  tournent les électrons charges négativement.

schema-atome

La resistance d’une substance a conduire l’électricité, c’est la resistance aux mouvements des électrons. Cette resistance consomme une partie de l’énergie électrique, le matériau s’échauffe, parfois jusqu’a émettre de la lumière comme dans nos ampoules.

Dans certains métaux, tels que le cuivre et l’aluminium, les atomes peuvent facilement s’échanger leurs électrons ; on dit de ces métaux qu’ils sont conducteurs.

D’autres substances, comme la céramique, ont des atomes qui ne partagent pas facilement leurs électrons ; on dit de ces substances qu’elles sont isolantes.

Lorsqu’on déplace un aimant à proximité d’un fil métallique, en cuivre par exemple, on crée un mouvement d’électrons dans ce fil. Et lorsque des électrons se déplacent, on dit qu’il y a courant électrique.

Lorsque l’électricité traverse un conducteur, par exemple un câble, il en résulte une perte d’énergie, due à la résistance. Ceci n’est pas toujours une mauvaise chose puisqu’elle peut alors être utilisée comme source de chaleur (un radiateur) ou pour éclairer (une ampoule). Mais lorsqu’il s’agit de réseaux énergétiques nationaux et de câbles à haute tension, la résistance électrique engendre des pertes pouvant atteindre près de 7%. Une perte d’argent, et une cause majeure d’usure des réseaux.

Les isolants et les conducteurs

Les électrons des différents types d’atomes sont plus ou moins libres de se déplacer. Pour certains types de matériaux comme les métaux, les électrons les plus extérieurs à l’atome sont si faiblement liés que la simple influence de l’énergie contenue dans la chaleur d’une pièce suffit à les faire se déplacer de façon chaotique entre les autres atomes. Puisqu’ils sont quasiment libres de quitter leurs atomes respectifs et de se déplacer dans l’espace entourant les atomes adjacents, ces électrons sont souvent appelés électrons libres.

Dans d’autres types de substances comme le verre, les électrons des atomes n’ont guère de liberté de mouvement. Alors qu’une force extérieure comme un frottement peut amener quelques-uns de ces électrons à quitter leurs atomes d’origine et à les faire passer aux atomes d’une autre substance, ces mêmes électrons ne bougent pas facilement à l’intérieur d’un matériau.

Cette mobilité relative des électrons à l’intérieur d’une substance est appelée conductivité électrique. La conductivité est déterminée par le type d’atomes de la substance (le nombre de protons de chaque noyau déterminant l’identité chimique de l’atome) et par la façon dont les atomes sont liés les uns aux autres. Les corps ayant une grande mobilité électronique (beaucoup d’électrons libres) sont appelés conducteurs, tandis que les corps possédant une faible mobilité électronique (peu ou pas d’électrons libres) sont appelés isolants.

Quelques exemples courants de conducteurs et d’isolants:

  • Conducteurs:
  • argent
  • cuivre
  • or
  • aluminium
  • fer
  • acier
  • laiton
  • bronze
  • mercure
  • graphite
  • eau sale
  • Béton
  • Isolants:
  • verre
  • caoutchouc
  • huile
  • bitume
  • fibre de verre
  • porcelaine
  • céramique
  • quartz
  • coton (sec)
  • papier (sec)
  • bois (sec)
  • plastique
  • air
  • diamant
  • eau pure

Il faut bien comprendre que tous les corps conducteurs n’ont pas le même niveau de conductivité, et que tous les isolants ne sont pas également résistants vis-à-vis du déplacement de leurs électrons. La conductivité électrique est analogue à la transparence à la lumière de certaines substances : les substances qui « conduisent » aisément la lumière sont dites « transparentes », tandis que celles qui ne le font pas sont dites « opaques ». Cependant, toutes les substances ne laissent pas passer la lumière avec la même facilité. Le verre des vitres le fait mieux que le plastique et certainement mieux que la fibre de verre « claire ». Il en est de même avec les conducteurs électriques, certains le sont plus que d’autres.

L’argent est par exemple le meilleur conducteur de notre liste « Conducteurs » : il est celui qui procure aux électrons le passage le plus facile. L’eau sale et le béton font également partie de la liste des conducteurs, mais ces deux substances sont considérablement moins conductrices que n’importe quel métal.

Les dimensions ont également un effet sur la conductivité. Si nous prenons par exemple deux bandes d’un même corps conducteur — l’une fine et l’autre épaisse — la bande épaisse s’avérera être meilleure conductrice que celle de la même longueur. Si nous prenons une autre paire de bandes — cette fois-ci de même épaisseur mais l’une plus courte que l’autre — la plus courte procurera aux électrons un passage plus facile que celui procuré par la longue. Ceci est analogue à l’écoulement d’eau dans un tuyau : un gros tuyau offre plus de passage qu’un tuyau maigre, et un tuyau court est pour l’eau plus facile à traverser qu’un tuyau long, toutes dimensions étant égales par ailleurs.

Il faut également bien comprendre que les propriétés de certains corps changent selon les conditions. Le verre, par exemple, est un très bon isolant à température ambiante mais devient conducteur aux hautes températures. Un gaz comme l’air, qui est normalement isolant, devient lui aussi conducteur à de très hautes températures. La plupart des métaux deviennent moins bons conducteurs lorsqu’ils sont chauffés et meilleurs conducteurs lorsqu’ils sont refroidis. Beaucoup de corps conducteurs deviennent parfaitement conducteurs à des températures extrêmement basses (cette propriété est appelée supraconduction).

Alors que le déplacement normal des électrons « libres » est aléatoire, sans direction ou vitesse particulières, les électrons peuvent être forcés à se déplacer à travers un corps conducteur d’une façon coordonnée. Ce déplacement uniforme des électrons est ce que nous appelons électricité, ou courant électrique. Plus précisément, il devrait être appelé électricité dynamique par opposition à l’électricité statique, qui est l’accumulation de charges immobiles. Tout comme l’eau traversant le vide d’un tuyau, les électrons sont capables de se déplacer dans l’espace vide existant à l’intérieur et entre les atomes d’un conducteur. Un conducteur peut paraître solide à nos yeux, mais tout corps matériel n’est quasiment qu’espace vide ! L’analogie avec un flux liquide est si pertinente que pour parler du déplacement des électrons à travers un conducteur on emploie souvent le mot « flux ».

Nous pouvons ici noter quelque chose de remarquable. Tandis que chaque électron se déplace uniformément à travers un conducteur, un électron pousse celui qui se trouve devant lui, de sorte que tous les électrons se déplacent ensemble comme un groupe. Le démarrage et l’arrêt d’un flux d’électrons sur une longueur de conducteur est quasiment instantanée d’un bout à l’autre du conducteur, même si le déplacement de chaque électron peut être très lent. Une analogie quelque peu approximative est celle d’un tube rempli de bout en bout avec des billes :

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Le tube est plein de billes, tout comme un conducteur est rempli d’électrons libres prêts à se déplacer sous l’effet d’une force extérieure. Si une bille est introduite du côté gauche du tube, une autre bille tentera immédiatement d’en sortir par la droite. Même si chaque bille ne se déplace que sur une courte distance, le transfert de mouvement à travers le tube est quasiment instantané de la gauche vers la droite, et ce quelle que soit la longueur du tube. Avec l’électricité, tout ce qui se passe d’une extrémité à l’autre du conducteur se fait à la vitesse de la lumière : 300 000 kilomètres par seconde au compteur !! Toutefois, individuellement, chaque électron se déplace à travers le conducteur à une vitesse beaucoup plus lente.

Si nous voulons que les électrons aillent dans une certaine direction et à un certain endroit, nous devons leur fournir le bon chemin pour qu’ils se déplacent, tout comme le plombier doit installer des tuyaux pour que l’eau s’écoule là où il veut qu’elle s’écoule. Pour faciliter cela, des câbles sont fabriqués avec des métaux très conducteurs comme le cuivre ou l’aluminium, et cela dans un large éventail de tailles.

Souvenez-vous que les électrons ne circuleront que s’ils ont la possibilité de se mouvoir dans l’espace laissé entre les atomes d’une substance. Cela signifie qu’il n’y aura courant électrique que s’il existe un chemin conducteur ininterrompu fournissant un conduit aux électrons. Dans l’analogie des billes, les billes s’écouleront dans la partie gauche du tube (et, par suite, à travers tout le tube) si et seulement si le tube est ouvert à droite et permet aux billes de sortir. Si le tube est bouché du côté droit, les billes ne feront que « s’empiler » à l’intérieur du tube, et aucun « flux » de billes ne se produira. Cela vaut également pour le courant électrique : un flux continu d’électrons nécessite qu’un chemin ininterrompu permette ce flux. Voyons sur un schéma comment tout cela se passe :

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Un trait continu et fin (comme montré ci-dessus) constitue le symbole conventionnel d’un morceau de câble d’un seul tenant. Puisqu’un câble est fabriqué avec un corps conducteur comme le cuivre, ses atomes ont beaucoup d’électrons libres qui peuvent facilement se déplacer à travers le câble. Cependant, il n’existera jamais de flux électronique continu ou uniforme à l’intérieur du câble à moins que les électrons n’aient un endroit d’où partir et un endroit pour arriver. Ajoutons deux hypothétiques « Source » et « Destination » pour nos électrons:

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Maintenant, avec notre Source d’électrons poussant les nouveaux électrons dans le câble du côté gauche, le flux d’électrons à travers le câble peut se produire (ce qu’indiquent les flèches pointant de gauche à droite). Le flux sera toutefois stoppé si le chemin conducteur que forme le câble est coupé:

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Puisque l’air est un corps isolant et que de l’air sépare les deux morceaux de câble, ce qui était un chemin continu est maintenant un chemin interrompu et les électrons ne peuvent plus circuler de la Source à la Destination. C’est comme couper en deux un tuyau d’eau et en boucher les extrémités: l’eau ne peut pas s’écouler s’il n’existe pas de sortie dans le tuyau. En termes d’électricité nous avions une continuité électrique quand le câble était encore en un seul morceau, et maintenant que le câble est coupé et séparé en deux morceaux cette continuité est rompue.

Si nous prenions un autre morceau de câble allant jusqu’à la Destination et si nous le connections physiquement avec le câble allant à la Source, nous aurions à nouveau un chemin ininterrompu qui permettrait aux électrons de circuler. Les points du schéma indiquent un contact physique (métal-métal) entre les deux morceaux de cable:

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Il y a maintenant continuité entre la Source et la Destination: le chemin part de Source, va à la nouvelle connexion, descend, part à droite, puis remonte jusqu’à Destination. C’est l’équivalent d’un raccord en T placé sur l’une des extrémités d’un tuyau et redirigeant l’eau à travers un nouveau segment de tuyau jusqu’à sa destination. Et notez bien que le segment de câble de droite qui est rompu n’a aucun flux d’électrons le traversant, puisqu’il ne fait plus partie d’aucun chemin allant de Source à Destination.

Il est intéressant de noter qu’aucune « usure » due au courant électrique n’apparaît dans les câbles, à la différence des tuyaux d’eau que des écoulements prolongés finissent par corroder et user. Les électrons subissent néanmoins un certain degré de friction en se déplaçant, et cette friction peut générer de la chaleur dans le conducteur. C’est un sujet que nous explorerons plus tard et beaucoup plus en détails.

  • RÉSUMÉ:
  • Dans les conducteurs les électrons extérieurs de chaque atome peuvent aisément aller et venir et sont appelés électrons libres.
  • Dans les isolants les électrons extérieurs ne sont pas aussi libres de se déplacer.
  • Tous les métaux sont des conducteurs électriques.
  • Le courant électrique correspond à un déplacement uniforme d’électrons à travers un conducteur.
  • L’électricité statique correspond à une accumulation de charges immobiles (dans le cas d’un isolant) formée soit par excès soit par manque d’électrons à l’intérieur d’un objet. Elle apparaît typiquement lors des séparations de charge par contact et lors des séparations de matières dissemblables.
  • Pour que les électrons circulent continûment (indéfiniment) à travers un conducteur, il doit exister un chemin complet, ininterrompu, qui leur permet de se déplacer dans et à l’extérieur de ce conducteur
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