Ampere
Symbol: AWorldwide
Qu'est-ce qu'un/une Ampere (A) ?
Définition Formelle
L'ampère (symbole : A) est l'unité de base SI du courant électrique. Depuis le 20 mai 2019, il est défini en fixant la valeur numérique de la charge élémentaire e à exactement 1,602176634 × 10⁻¹⁹ coulombs (C), où 1 C = 1 A·s. Cela signifie qu'un ampère est le courant électrique correspondant au flux de 1/(1,602176634 × 10⁻¹⁹) charges élémentaires par seconde, ce qui correspond à environ 6,241509 × 10¹⁸ électrons passant par un point donné par seconde.
L'ampère est l'une des sept unités de base SI et la seule unité électrique parmi elles. Toutes les autres unités électriques — le volt, l'ohm, le watt, le coulomb, le farad, l'henry, le siemens et le weber — sont dérivées de l'ampère en combinaison avec le mètre, le kilogramme et la seconde. La loi d'Ohm (V = IR) relie l'ampère au volt et à l'ohm, tandis que la puissance électrique (P = IV) la relie au watt.
Signification Physique
Le courant électrique, mesuré en ampères, représente le taux d'écoulement de la charge électrique à travers un conducteur. Dans les conducteurs métalliques, le courant est transporté par des électrons se déplaçant à travers le réseau cristallin du métal. Dans les électrolytes et les plasmas, le courant est transporté par des ions. Dans les semi-conducteurs, le courant est transporté à la fois par des électrons et des "trous" (vacances dans la structure électronique qui se comportent comme des porteurs de charge positive). La direction du courant conventionnel est définie comme la direction dans laquelle les charges positives s'écouleraient, ce qui est opposé à la direction réelle de l'écoulement des électrons dans les métaux.
Etymology
Nommé d'après André-Marie Ampère
L'ampère est nommé d'après André-Marie Ampère (1775-1836), le physicien et mathématicien français qui est considéré comme l'un des fondateurs de la science de l'électromagnétisme, qu'il a qualifiée d'"électrodynamique". Né à Lyon, France, Ampère était un intellect prodigieux qui s'est autodidacte en mathématiques à partir des livres de la bibliothèque de son père. Malgré l'exécution de son père pendant la Révolution française et d'autres tragédies personnelles, Ampère a apporté des contributions révolutionnaires à la physique et aux mathématiques.
Contributions Clés d'Ampère
La réalisation la plus significative d'Ampère fut sa formulation mathématique de la relation entre le courant électrique et le champ magnétique qu'il produit, publiée dans son mémoire de 1826 "Mémoire sur la théorie mathématique des phénomènes électrodynamiques uniquement déduite de l'expérience." Il a démontré que deux fils parallèles transportant des courants électriques exercent des forces l'un sur l'autre — s'attirant lorsque les courants s'écoulent dans la même direction et se repoussant lorsqu'ils s'écoulent dans des directions opposées. Cette découverte a formé la base de la définition originale de l'ampère (avant 2019) et est exprimée mathématiquement comme la loi de force d'Ampère.
James Clerk Maxwell a appelé Ampère "le Newton de l'électricité" pour ses contributions fondamentales. La loi circuitale d'Ampère — l'une des équations de Maxwell — relie le champ magnétique autour d'une boucle fermée au courant électrique passant à travers la boucle. L'unité de courant électrique a été nommée en son honneur lors du Congrès international de l'électricité de 1881 à Paris.
Precise Definition
La Redéfinition de 2019
Depuis le 20 mai 2019, l'ampère est défini en fixant la valeur numérique de la charge élémentaire e à exactement 1,602176634 × 10⁻¹⁹ C. Combinée avec la définition de la seconde (basée sur la transition hyperfine du césium-133), cela spécifie complètement l'ampère. Un ampère équivaut exactement à 1/(1,602176634 × 10⁻¹⁹) charges élémentaires par seconde.
Définition Précédente (1948-2019)
La définition précédente, adoptée en 1948 par la 9ème Conférence générale des poids et mesures, définissait l'ampère comme "le courant constant qui, s'il est maintenu dans deux conducteurs parallèles droits d'une longueur infinie, de section circulaire négligeable, et placés à un mètre l'un de l'autre dans le vide, produirait entre ces conducteurs une force égale à 2 × 10⁻⁷ newtons par mètre de longueur." Cette définition était conceptuellement claire mais pratiquement difficile à réaliser, car elle nécessitait des conducteurs idéalisés infinis.
Réalisation Pratique
L'ampère est réalisé en pratique à travers des normes électriques quantiques. L'effet Josephson (découvert par Brian Josephson en 1962) permet de mesurer la tension avec une précision extrême en utilisant des jonctions Josephson, qui produisent des sauts de tension de exactement hf/(2e), où h est la constante de Planck, f est la fréquence, et e est la charge élémentaire. L'effet Hall quantique (découvert par Klaus von Klitzing en 1980) fournit une norme de résistance égale à h/e². En combinant les normes de tension Josephson avec les normes de résistance Hall quantique, le courant peut être mesuré avec une incertitude relative de l'ordre de 10⁻⁸.
Histoire
Mesures Électriques Précoces
L'histoire de l'ampère est inséparable de l'histoire plus large de la compréhension du courant électrique. En 1800, Alessandro Volta a inventé la pile voltaïque — la première vraie batterie — qui a fourni une source continue de courant électrique pour la première fois. Cette invention a permis une vague d'expériences électriques par des scientifiques tels que Humphry Davy, Hans Christian Oersted et André-Marie Ampère. En 1820, la découverte d'Oersted selon laquelle un courant électrique dévie une aiguille de boussole a révélé la connexion fondamentale entre l'électricité et le magnétisme.
L'Électrodynamique d'Ampère
Quelques semaines après avoir appris la découverte d'Oersted, Ampère a réalisé une série d'expériences brillantes démontrant les forces entre des fils transportant des courants. Il a montré que des fils parallèles transportant des courants dans la même direction s'attirent, tandis que des courants antiparallèles se repoussent. Il a formulé des lois mathématiques décrivant ces forces et a proposé que le magnétisme lui-même est causé par des courants électriques circulants dans la matière — une hypothèse plus tard confirmée par la théorie électronique du magnétisme.
Normalisation
La première norme internationale pour l'ampère a été établie lors du Congrès international de l'électricité à Chicago en 1893, définie électrochimiquement comme le courant qui dépose 1,118 milligrammes d'argent par seconde à partir d'une solution de nitrate d'argent (l'"ampère argent"). Cette définition pratique a été remplacée en 1948 par la définition basée sur la force utilisant des conducteurs parallèles, et en 2019 par la définition actuelle basée sur la charge élémentaire.
La Révision de 2019
La redéfinition de 2019 de l'ampère faisait partie d'une révision plus large du SI qui a également redéfini le kilogramme, le kelvin et la mole. La nouvelle définition a éliminé la dépendance au mètre et au kilogramme (qui apparaissaient dans la définition basée sur la force) et a plutôt ancré l'ampère directement à une constante fondamentale de la nature — la charge élémentaire. Cela a été rendu possible par des décennies d'avancées dans les expériences de transport d'électrons uniques et la métrologie électrique quantique.
Utilisation actuelle
En Génie Électrique
L'ampère est l'unité fondamentale pour spécifier et mesurer le courant électrique dans toutes les applications de génie électrique. Les disjoncteurs et les fusibles sont notés en ampères — un disjoncteur domestique typique est noté à 15 ou 20 ampères en Amérique du Nord et 16 ou 32 ampères en Europe. Les normes de calibre de fil spécifient la capacité maximale de transport de courant (ampacité) des conducteurs en ampères, et les panneaux électriques sont notés selon leur capacité totale en ampères (généralement 100, 200 ou 400 ampères pour un service résidentiel).
En Électronique
En électronique, les courants sont généralement mesurés en milliampères (mA) ou microampères (μA). Un smartphone consomme environ 100 à 500 mA pendant une utilisation active. Un LED nécessite 10 à 20 mA. Les circuits intégrés fonctionnent avec des courants allant des microampères (pour des capteurs à faible puissance) aux ampères (pour des processeurs haute performance). La capacité des batteries est notée en ampère-heures (Ah) ou milliampère-heures (mAh) — une batterie de smartphone typique a une capacité de 3,000 à 5,000 mAh.
Dans les Systèmes Énergétiques
Dans la production et la distribution d'énergie, le courant est mesuré en ampères et kiloampères. Les lignes de transmission à haute tension transportent des courants de centaines à milliers d'ampères. Les moteurs industriels de grande taille tirent des dizaines à des centaines d'ampères. Les chargeurs rapides de véhicules électriques peuvent délivrer 250 à 500 ampères à des tensions CC, permettant une charge rapide des batteries.
Everyday Use
Systèmes Électriques Domestiques
Le système électrique de chaque maison est fondamentalement décrit en termes d'ampères. Le panneau électrique principal dans une maison moderne est généralement noté à 100 à 200 ampères. Les circuits individuels sont protégés par des disjoncteurs notés à 15 ou 20 ampères pour les prises générales, 20 ampères pour les circuits de cuisine et de salle de bain, et 30 à 50 ampères pour les appareils à forte demande comme les cuisinières électriques et les sèche-linge. Comprendre l'ampérage est essentiel pour une utilisation électrique sûre — surcharger un circuit en tirant plus d'ampères que sa capacité peut provoquer une surchauffe et un incendie.
Chargement des Appareils
Le chargement des batteries est décrit en termes d'ampères. Un chargeur USB standard fournit 0,5 à 2,4 ampères. Les chargeurs USB-C Power Delivery peuvent fournir jusqu'à 5 ampères à 20 volts (100 watts). Les normes de chargement rapide pour smartphones (Qualcomm Quick Charge, USB PD) augmentent le courant et la tension pour réduire les temps de chargement. Les chargeurs de véhicules électriques sont notés par leur ampérage : un chargeur de niveau 1 (prise domestique standard) fournit environ 12 ampères, un chargeur de niveau 2 fournit 16 à 80 ampères, et les chargeurs rapides CC peuvent délivrer plus de 300 ampères.
Sensibilisation à la Sécurité
Comprendre l'ampérage est important pour la sécurité électrique. Un courant d'environ 10 milliampères (0,01 A) à travers le corps humain provoque des contractions musculaires douloureuses, 100 milliampères (0,1 A) peuvent provoquer une fibrillation ventriculaire fatale, et des courants plus élevés provoquent des brûlures graves. C'est pourquoi la sécurité électrique se concentre à la fois sur la tension (qui entraîne le courant à travers la résistance) et la mise à la terre (qui fournit un chemin sûr pour les courants de défaut).
In Science & Industry
En Électromagnétisme
L'ampère est central à la théorie électromagnétique. La loi circuitale d'Ampère stipule que l'intégrale du champ magnétique autour d'une boucle fermée est proportionnelle au courant électrique traversant la boucle. La loi de Biot-Savart donne le champ magnétique produit par un élément de courant. Les équations de Maxwell, qui unifient l'électricité, le magnétisme et l'optique, expriment les quantités électromagnétiques en termes d'ampères, de volts et de leurs dérivées.
En Métrologie Quantique
Les normes électriques quantiques qui réalisent l'ampère sont parmi les outils de mesure les plus précis de toute la science. L'effet Josephson fournit une norme de tension avec une incertitude relative inférieure à 10⁻⁹. L'effet Hall quantique fournit une norme de résistance avec un niveau de précision similaire. Les dispositifs de transport d'électrons uniques (transistors à tunnel d'électrons uniques et points quantiques) peuvent compter des électrons individuels, fournissant une réalisation directe de l'ampère en tant qu'écoulement de charges élémentaires.
En Électrochimie
En électrochimie, les lois de Faraday de l'électrolyse relient la quantité de substance déposée à une électrode à la charge totale passée (courant × temps) en ampère-secondes (coulombs). Un faraday de charge (96,485 coulombs) dépose une mole d'une substance monovalente. Ces relations sont fondamentales pour le placage électrolytique, le raffinage électrolytique des métaux, la chimie des batteries et le fonctionnement des piles à hydrogène.
Multiples & Submultiples
| Name | Symbol | Factor |
|---|---|---|
| Nanoampere | nA | 0.000000001 |
| Microampere | μA | 0.000001 |
| Milliampere | mA | 0.001 |
| Ampere | A | 1 |
| Kiloampere | kA | 1000 |
Interesting Facts
A single lightning bolt carries a peak current of approximately 20,000 to 200,000 amperes, though the pulse lasts only a few microseconds. The total charge transferred in a typical lightning stroke is about 5 coulombs.
The human brain operates on approximately 12 watts of power, corresponding to currents of milliamperes flowing through billions of neurons. Each neuron fires at voltages of about 70 millivolts.
Andre-Marie Ampere was so absent-minded that he once forgot he had been invited to dinner with Emperor Napoleon. He reportedly used the back of a cab as a blackboard to work out mathematical equations.
The original 1948 definition of the ampere involved "two straight parallel conductors of infinite length" — a condition impossible to achieve physically. This made the definition theoretically elegant but practically unrealizable.
A typical household in the United States uses about 30 amperes of peak current during periods of heavy electrical use. The main breaker panel is typically rated for 200 amperes to provide ample headroom.
The world's most powerful electromagnets, used in fusion research (such as ITER), carry currents of approximately 68,000 amperes through superconducting coils cooled to near absolute zero.
It takes approximately 6.24 × 10¹⁸ electrons flowing past a point per second to constitute one ampere of current. Despite this enormous number, individual electrons in a wire move surprisingly slowly — typically only a fraction of a millimeter per second (drift velocity).
The ampere-hour (Ah) is the standard unit for battery capacity. A 100 Ah battery can theoretically supply 1 ampere for 100 hours, or 100 amperes for 1 hour, or any equivalent combination.