Électrocinétique - Définition

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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 immobile.

Définition scientifique

"Ensemble 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 des régimes quasi-stationnaires]. C'est une discipline essentielle pour l'électronique et l'électrotechnique.

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 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 du circuit électrique, la densité de charge stockée est constante au cours du temps :

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

Pour cela il faut que le produit de la dimension du circuit par la fréquence des intensités considérées soit très inférieur à la célérité de la lumière dans le matériau 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 étudie les forces qui s'exercent sur des charges fixes. Elle définit la tension U (exprimée en volt) et le champ électrique $\vec E$ (en coulomb).

Lorsque ces charges sont libres, elle vont migrer sous l'effet de cette force, créant un courant électrique ; le flux de charge est exprimé par le vecteur densité de courant $\vec{J}$ (en ampère par mètre 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 (tube cathodique, spectrométrie de masse…) ;
des ions dans une solution aqueuse ou un gel (électrolyse, pont salin…) ;
des électrons libres et des trous d'électron dans un cristal (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.

Dans le cas le plus simple, l'intensité du courant est proportionnelle à la tension (loi d'Ohm) ; la constante de proportionnalité permet de définir la résistivité du matériau, et pour un objet sa résistance (en ohm). On peut ainsi étudier un certain nombre de montages simples, par exemple :

diviseur de tension
pont de Wheatstone

Cependant, d'autre phénomènes interviennent, et notamment :

réaction chimique : électrolyse, pile électrique, accumulateur, création d'une paire électron libre/trou d'électron…
accélération d'une masse (moteur électrique)
l'accumulation de charges en un endroit (condensateur) ;
le électromagnétisme (auto-induction) ;
l'émission thermo-ionique ;
l'effet tunnel.

L'accumulation de charge et l'auto-induction mènent à l'étude des circuits RLC, avec en particulier la notion de filtre en courant alternatif. La création d'une paire électron/trou d'électron, l'effet thermo-ionique et l'effet tunnel jouent un rôle primordial dans les composants électroniques.