Ampère
Origine de l'ampère
L'ampère est défini pour la première fois en 1881 pendant le premier Congrès international d'électricité. Il est alors défini comme 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]\displaystyle{ 10^{8} }[/math] et [math]\displaystyle{ 10^{9} }[/math] unités CGS. Il remplace alors le weber et le siemens.
Détail de la définition actuelle de l'ampère
Quand un courant électrique circule dans un fil de longueur infinie et de section négligeable, il produit un champ magnétique [math]\displaystyle{ \vec B }[/math] défini par la loi : [math]\displaystyle{ \vec B(r) = \frac{\mu_0 I}{2 \pi r} \vec u_\theta }[/math]
Ou :
[math]\displaystyle{ \vec B(r) }[/math] désigne le champ magnétique créé par le fil à une distance r de celui-ci.
[math]\displaystyle{ \mu_0 }[/math] désigne la perméabilité magnétique du vide.
[math]\displaystyle{ I }[/math] désigne l'intensité du courant dans le fil.
[math]\displaystyle{ \vec u_\theta }[/math] désigne un vecteur directeur unitaire.
De plus, un courant électrique qui circule dans un fil de longueur [math]\displaystyle{ l }[/math] est affecté par un champ magnétique et subit une force (appelée Force de Lorentz [math]\displaystyle{ \vec F }[/math], défini par la loi : [math]\displaystyle{ \vec F = I \vec l \wedge \vec B }[/math]
Ou :
[math]\displaystyle{ \vec F }[/math] désigne la force subie par le fil.
[math]\displaystyle{ I }[/math] désigne l'intensité du courant circulant dans le fil.
[math]\displaystyle{ \vec l }[/math] désigne la longueur de fil considérée (en tenant compte du sens).
[math]\displaystyle{ \vec B }[/math] désigne le champ magnétique.
Enfin, le symbole "[math]\displaystyle{ \wedge }[/math]" désigne le produit vectoriel (ie. une forme de multiplication de vecteurs).
Donc, en combinant les deux, on obtient que chaque fil exerce sur l'autre une force [math]\displaystyle{ \vec F }[/math] donnée par :[math]\displaystyle{ \vec F = I \vec l \wedge \frac{\mu_0 I}{2 \pi r} \vec u_\theta }[/math]
En remplaçant [math]\displaystyle{ \mu_0 }[/math] par sa valeur ([math]\displaystyle{ \mu_0 = 4 \pi \times 10^{-7} }[/math], qui est définie en même temps que l'ampère), en prenant [math]\displaystyle{ l = r = 1m }[/math], on obtient : [math]\displaystyle{ \vec F = 2 I^2 \times 10^{-7} \vec u }[/math] ([math]\displaystyle{ \vec u }[/math] désigne le vecteur directeur qui pointe d'un fil vers l'autre)
On retrouve bien qu'une intensité de 1 [math]\displaystyle{ A }[/math] dans le fil correspond à une force [math]\displaystyle{ ||\vec F|| = 2 \times 10^{-7} }[/math] newton par mètre entre les deux fils. En réalité, le calcul s'est fait dans l'autre sens : on a défini la force équivalente à une intensité de 1 [math]\displaystyle{ A }[/math] dans notre système et on a défini la valeur de [math]\displaystyle{ \mu_0 }[/math] à partir de là.
La mesure du courant
Pour mesurer un courant, on utilise un ampèremètre. Il en existe différents types :
- Les ampèremètres analogiques :
- Sur ces ampèremètre, on observe le déplacement d'une aiguille. Il existe différents montages permettant de déplacer cette aiguille de manière proportionnelle au courant :
- 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 une intensité traverse la bobine, le cadre tourne d'un angle proportionnel à l'intensité.
- 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 une intensité traverse la bobine, le cadre tourne d'un angle proportionnel à l'intensité.
- 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 n'importe quel courant alternatif de fréquence inférieur à 1kHz). Cet ampèremètre n'est pas polarisé (il ne tient pas compte du sens du courant).
- 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 n'importe quel courant alternatif de fréquence inférieur à 1kHz). Cet ampèremètre n'est pas polarisé (il ne tient pas compte du sens du courant).
- L'ampèremètre thermique :
- Il est composé d'un fil résistant relié à l'aiguille. Quand un courant circule dans le fil, il 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).
- Il est composé d'un fil résistant relié à l'aiguille. Quand un courant circule dans le fil, il 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).
- L'ampèremètre magnéto-électrique :
- Les ampèremètre 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]\displaystyle{ U = R×I }[/math]
- 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 :
Bibliographie/Webographie
CNRS : Le coulomb, l'ampère, le volt, le watt, l'ohm... Quand sont nées les unités électriques ? [en ligne, consulté le 13 juin 2017]. Disponible sur internet : <http://www.ampere.cnrs.fr/parcourspedagogique/zoom/unitelec/borvon/>
Lenntech : L'électrolyse [en ligne, consulté le 13 juin 2017]. Disponible sur internet : <http://www.lenntech.fr/electrolyse.htm>
La métrologie française : Unités de mesure [en ligne, consulté le 13 juin 2017]. Disponible sur internet : <http://www.metrologie-francaise.fr/fr/si/unites-mesure.asp#base>
Le galvanomètre à cadre mobile [en ligne, consulté le 13 juin 2017]. Disponible sur internet : <http://webetab.ac-bordeaux.fr/Pedagogie/Physique/Physico/Electro/e03galva.htm#galvanomètre>
Le galvanomètre à cadre mobile [en ligne, consulté le 13 juin 2017]. Disponible sur internet : <http://exam2ham.free.fr/donnees/appareils.html>
BIPM : sur la révision du SI [en ligne, consulté le 13 juin 2017]. Disponible sur internet : <http://www.bipm.org/fr/measurement-units/rev-si/>