Ampère

De Comment mesure-t-on ?
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Crayon.png En bref:
Intensité.jpg
L'ampère (A) est l'unité de mesure du Système International de l'intensité du courant électrique.
Il représente la "quantité d'électricité" qui passe dans un conducteur par unité de temps. Pour visualiser cela, on peut faire le parallèle entre le conducteur et un tuyau d'arrosage. L'intensité est alors comparable au volume d'eau qui sort du tuyau par unité de temps (débit) et l'ampère est l'unité de mesure de ce débit.

Une définition moderne de l'ampère depuis 2018

Fondamentalement, l’ampère est l’unité de courant électrique, c’est-à-dire le flux de charges électriques. L’idée est donc de définir l’ampère à partir de la charge électrique élémentaire, qui est égale à la charge d’un électron, et de l’unité de temps déjà définie, la seconde.

Ainsi, à l’issu de la 26e CGPM de 2018, il a été décidé de définir l’Ampère comme l'intensité d'un courant électrique qui transporte par seconde une charge égale à [math] 1/1,602 176 634 \times 10^{-19}[/math] fois la charge électrique élémentaire, e. Soit :

[math]1~A = \frac{e}{1,602176634\times 10^{-19}} s^{-1}[/math]

où :

  • e = [math]1,602 176 634 \times 10^{-19} A.s[/math] est la charge électrique élémentaire
  • s est le symbole de la seconde


Comment réalise-t-on l'étalon de l'ampère ?

Postit.png qu’est-ce qu’un étalon ? Un étalon de mesure est une grandeur de référence qui sert à définir ou à matérialiser l'unité de mesure. Celui-ci doit être précis, exact, reproductible et universel.

L' ampère est défini à partir de la charge électrique élémentaire, mais en pratique on ne mesure pas directement cette charge. À la place, on utilise la relation entre l'intensité du courant et deux autres grandeurs que l’on peut mesurer avec précision, la tension électrique et la résistance. Pour cela, les chercheurs réalisent l'étalon de l’unité pour la tension électrique U, le volt (V) et l’étalon de l’unité pour la résistance électrique R, l’ohm ([math]\Omega[/math]) que l’on mesure très précisément grâce à des effets quantiques bien définis (l’effet Hall quantique et l’effet Josephson) . Ces deux effets ne dépendent que des constantes physiques e (charge électrique élémentaire) et h (constante de Planck), ce qui permet une très grande précision dans la mesure.

Comment en déduire la valeur de l’ampère, A ?

Illustration de la loi d'Ohm

En connaissant la valeur de la tension électrique U et de la résistance électrique R, on peut en déduire la valeur de l’intensité électrique I grâce à une loi de l’électricité :

Loi d'Ohm : [math]I = \frac{U}{R}[/math]

Lorsque l’on utilise cette équation pour nos unités, on obtient l’expression de l’étalon de l’unité pour l’intensité électrique, l’ampère (A) :

[math] 1~A = \frac{1~V}{1~\Omega} [/math]


Tableau des correspondances Grandeur/unité
Grandeur (ce que l'on mesure) Unité (échelle de la mesure)
Tension électrique (U) le volt (V)
Résistance électrique (R) l'ohm ([math]\Omega [/math])
Intensité électrique (I) l'ampère (A)


Histoire de l'ampère

Si le BIPM (Bureau International des Poids et Mesure) est d’accord sur cette définition satisfaisante et très précise de l’ampère, cette unité n’a pas toujours été définie comme ceci.

  • C’est en 1881, lors du premier Congrès international d’électricité, que l’ampère est initialement défini selon la fameuse loi d’Ohm vu plus haut : l’ampère est alors choisi comme étant l'intensité du courant produit par une tension de un volt dans une résistance de un ohm, ces deux unités étant définies par convention à, respectivement [math]10^{8}[/math] et [math]10^{9}[/math] unités CGS. L'ampère remplace alors le weber (nom qui sera repris plus tard pour une autre unité du SI).

Postit.png Le système CGS (pour Centimètre, Gramme, Seconde) est défini en 1873 par la British Association. C'est initialement un système dédié aux mesures mécaniques mais il peut être élargi aux unités électriques. C'est une première ébauche d'un système d'unités international.

  • Puis en 1893, lors du Congrès international d'électricité de Chicago, l'ampère est redéfini par sa représentation matérielle : un courant qui dépose 0,00118 gramme d'argent par seconde à la cathode d'un électrolyseur à nitrate d'argent.
Postit.png
Schéma d'une électrolyse

L'électrolyse :
Lorsque l'on plonge deux électrodes (deux barres métalliques) formées de deux métaux différents (l'une appelée anode et l'autre cathode) dans une solution ionique (souvent de l'eau salée) et que l'on impose une tension, un courant électrique passe dans les électrodes et la solution d'eau salée. Suivant les électrodes et la solution choisis il peut y avoir un dépôt, dû à la circulation d'ions, sur l'une des électrodes.

Dans notre cas, les ions contenus dans la solution sont des ions nitrate et argent.
  • En 1948, lors de la 9e Conférence Générale des Poids et Mesures, le système CGS est remplacé par le système MKSA (Mètre, Kilogramme, Seconde, Ampère). L'ampère devient alors une unité fondamentale du système et acquiert une définition qu’il conservera jusqu’en 2018. Il est défini comme l'intensité d'un courant électrique constant qui, maintenu dans deux conducteurs linéaires et parallèles, de longueurs infinies, de sections négligeables et distants d'un mètre dans le vide, produit entre ces deux conducteurs une force linéaire égale à [math]2 \times 10^{-7}[/math] newton par mètre.

Postit.png Le système MKSA permet de résoudre un problème du système CGS. En effet, il y a plusieurs façons d'étendre celui-ci aux unités électriques (il existe deux systèmes CGS : le système électrostatique et le système électromagnétique) qui sont incompatibles. Le système MKSA, initialement proposé par Giovanni Giorgi en 1901, résout ce problème afin d'avoir un système unifié. Il permet également de simplifier les relations permettant d'obtenir les unités dérivées.

En gros, l’ampère était défini à partir de la force mécanique qu’un fil électrique exerce sur un autre lorsqu’ils sont traversés tous les deux par un courant électrique égal à 1 ampère.


La mesure du courant

Pour mesurer un courant, on utilise un ampèremètre. Il en existe différents types :

Les ampèremètres analogiques :
Sur ces ampèremètres, on observe le déplacement d'une aiguille. Il existe différents montages permettant de déplacer cette aiguille de manière proportionnelle au courant :

Schéma d'un galvanomètre à cadre mobile
L'ampèremètre magnéto-électrique :

Grace à un galvanomètre à cadre mobile, il mesure l'intensité moyenne du courant qui le traverse. Pour cela, l'aiguille de l'ampèremètre est reliée à une bobine placée dans l'entrefer d'un aimant. Cette bobine est maintenue au 0 par un ressort. Quand un courant traverse la bobine, le cadre tourne d'un angle proportionnel à son intensité.

Schéma d'un ampèremètre ferromagnétique
L'ampèremètre ferromagnétique :

Deux palettes de fer doux sont placée à l'intérieur d'une bobine. L'une des palettes est fixée, l'autre est mobile et fixée à un pivot auquel est relié une aiguille. Quand on fait passer un courant dans la bobine, les palettes s'aimantent et donc se repoussent, ce qui fait tourner l'aiguille. Si ce modèle est moins précis que l'ampèremètre magnéto-électrique, il a l'avantage de pouvoir effectuer une mesure sur un courant alternatif (de fréquence inférieur à 1 kHz). Cet ampèremètre n'est pas polarisé, il ne tient pas compte du sens du courant.



Multimètre numérique

::: L'ampèremètre thermique :

Il est composé d'un fil résistant relié à l'aiguille. Quand un courant circule dans le fil, celui-ci s’échauffe et donc s'allonge de manière proportionnelle au courant. Il peut mesurer des courants alternatifs jusqu'à des fréquences de quelques MHz. Cet ampèremètre n'est pas polarisée, il ne tient pas compte du sens du courant.

Les ampèremètres numériques :
Il s'agit de voltmètres numériques qui mesurent la tension produite par le courant à mesurer aux bornes d'une résistance connue. On peut ensuite remonter à l'intensité grâce à la loi d'Ohm : [math]I = U / R[/math]


Bibliographie/Webographie

  • La longue histoire des unités électriques [en ligne, consulté en juin 2021] :

http://www.ampere.cnrs.fr/histoire/parcours-historique/unites-electriques