Loi d'Ohm - Relations entre la tension, le courant et la résistance

La première, et peut-être la plus importante, la relation entre le courant, la tension et la résistance s'appelle la loi d'Ohm, découverte par Georg Simon Ohm et publiée dans son article de 1827, The Galvanic Circuit Investigated Mathematically.

Tension, courant et résistance

Un circuit électrique est formé lorsqu'un chemin conducteur est créé pour permettre à la charge électrique de se déplacer en continu. Ce mouvement continu de charge électrique à travers les conducteurs d'un circuit est appelé un courant , et il est souvent désigné en termes de « flux », tout comme le flux d'un liquide à travers un tuyau creux.

La force motivant les porteurs de charge à « circuler » dans un circuit est appelée tension . La tension est une mesure spécifique de l'énergie potentielle qui est toujours relative entre deux points.

Lorsque nous parlons d'une certaine quantité de tension présente dans un circuit, nous faisons référence à la mesure de la quantité de potentiel l'énergie existe pour déplacer les porteurs de charge d'un point particulier de ce circuit à un autre point particulier. Sans référence à deux points particuliers, le terme « tension » n'a aucun sens.

Le courant a tendance à se déplacer à travers les conducteurs avec un certain degré de friction ou d'opposition au mouvement. Cette opposition au mouvement est plus proprement appelée résistance . La quantité de courant dans un circuit dépend de la quantité de tension et de la quantité de résistance dans le circuit pour s'opposer au flux de courant.

Tout comme la tension, la résistance est une quantité relative entre deux points. Pour cette raison, les quantités de tension et de résistance sont souvent indiquées comme étant "entre" ou "à travers" deux points d'un circuit.

Unités de mesure :volts, ampères et ohms

Pour pouvoir faire des déclarations significatives sur ces quantités dans les circuits, nous devons être capables de décrire leurs quantités de la même manière que nous pourrions quantifier la masse, la température, le volume, la longueur ou tout autre type de quantité physique. Pour la masse, nous pourrions utiliser les unités de « kilogramme » ou « gramme ».

Pour la température, nous pourrions utiliser des degrés Fahrenheit ou des degrés Celsius. Voici les unités de mesure standard pour le courant électrique, la tension et la résistance :

Le « symbole » donné pour chaque quantité est la lettre alphabétique standard utilisée pour représenter cette quantité dans une équation algébrique. Des lettres standardisées comme celles-ci sont courantes dans les disciplines de la physique et de l'ingénierie et sont reconnues internationalement.

L'« abréviation d'unité » pour chaque quantité représente le symbole alphabétique utilisé comme notation abrégée pour son unité de mesure particulière. Et, oui, ce symbole étrange de "fer à cheval" est la lettre grecque majuscule Ω, juste un caractère dans un étranger alphabet (excuses à tous les lecteurs grecs ici).

Chaque unité de mesure porte le nom d'un célèbre expérimentateur en électricité :l'amp après le français André M. Ampère, le volt après l'italien Alessandro Volta, et le ohm après l'Allemand Georg Simon Ohm.

Le symbole mathématique de chaque quantité est également significatif. Le « R » pour la résistance et le « V » pour la tension sont tous les deux explicites, tandis que le « I » pour le courant semble un peu étrange. On pense que le « I » était censé représenter « l'intensité » (du flux de charge), et l'autre symbole de la tension, « E », signifie « la force électromotrice ». D'après les recherches que j'ai pu faire, il semble qu'il y ait un différend sur la signification de « je ».

Les symboles « E » et « V » sont interchangeables pour la plupart, bien que certains textes réservent « E » pour représenter la tension aux bornes d'une source (telle qu'une batterie ou un générateur) et « V » pour représenter la tension aux bornes de toute autre chose.

Tous ces symboles sont exprimés en lettres majuscules, sauf dans les cas où une grandeur (notamment tension ou courant) est décrite en termes de durée brève (appelée valeur « instantanée »). Par exemple, la tension d'une batterie, qui est stable sur une longue période, sera symbolisée par une lettre majuscule "E", tandis que le pic de tension d'un coup de foudre au moment même où il frappe une ligne électrique serait très probablement être symbolisé par une lettre minuscule « e » (ou « v » minuscule) pour désigner cette valeur comme étant à un moment unique.

Cette même convention en minuscules s'applique également au courant, la lettre minuscule "i" représentant le courant à un moment donné. La plupart des mesures de courant continu (CC), cependant, étant stables dans le temps, seront symbolisées par des lettres majuscules.

Coulomb et charge électrique

Une unité fondamentale de mesure électrique souvent enseignée au début des cours d'électronique mais rarement utilisée par la suite, est l'unité de coulomb , qui est une mesure de la charge électrique proportionnelle au nombre d'électrons dans un état déséquilibré. Un coulomb de charge équivaut à 6 250 000 000 000 000 000 d'électrons.

Le symbole de la quantité de charge électrique est la lettre majuscule « Q », avec l'unité de coulombs abrégée par la lettre majuscule « C ». Il se trouve que l'unité de circulation du courant, l'ampère, est égale à 1 coulomb de charge passant par un point donné d'un circuit en 1 seconde de temps. En ces termes, le courant est le taux de mouvement de charge électrique par un conducteur.

Comme indiqué précédemment, la tension est la mesure de l'énergie potentielle par unité de charge disponible pour motiver le flux de courant d'un point à un autre. Avant de pouvoir définir précisément ce qu'est un « volt », nous devons comprendre comment mesurer cette quantité que nous appelons « énergie potentielle ». L'unité métrique générale pour l'énergie de toute nature est le joule , égal à la quantité de travail effectué par une force de 1 newton exercée par un mouvement de 1 mètre (dans le même sens).

Dans les unités britanniques, c'est un peu moins de 3/4 livre de force exercée sur une distance de 1 pied. En termes courants, il faut environ 1 joule d'énergie pour soulever un poids de 3/4 livre à 1 pied du sol, ou pour faire glisser quelque chose sur une distance de 1 pied en utilisant une force de traction parallèle de 3/4 livre. Défini dans ces termes scientifiques, 1 volt est égal à 1 joule d'énergie potentielle électrique par (divisé par) 1 coulomb de charge. Ainsi, une batterie de 9 volts libère 9 joules d'énergie pour chaque coulomb de charge déplacé dans un circuit.

Ces unités et symboles pour les quantités électriques deviendront très importants à connaître alors que nous commençons à explorer les relations entre eux dans les circuits.

L'équation de la loi d'Ohm

La principale découverte d'Ohm était que la quantité de courant électrique à travers un conducteur métallique dans un circuit est directement proportionnelle à la tension appliquée à travers celui-ci, pour une température donnée. Ohm a exprimé sa découverte sous la forme d'une équation simple, décrivant comment la tension, le courant et la résistance sont liés :

Dans cette expression algébrique, la tension (E) est égale au courant (I) multiplié par la résistance (R). En utilisant des techniques d'algèbre, nous pouvons manipuler cette équation en deux variantes, en résolvant pour I et pour R, respectivement :

Analyser des circuits simples avec la loi d'Ohm

Voyons comment ces équations pourraient fonctionner pour nous aider à analyser des circuits simples :

Dans le circuit ci-dessus, il n'y a qu'une seule source de tension (la batterie, à gauche) et une seule source de résistance au courant (la lampe, à droite). Cela rend très facile l'application de la loi d'Ohm. Si nous connaissons les valeurs de deux des trois quantités (tension, courant et résistance) dans ce circuit, nous pouvons utiliser la loi d'Ohm pour déterminer la troisième.

Dans ce premier exemple, nous allons calculer la quantité de courant (I) dans un circuit, étant donné les valeurs de tension (E) et de résistance (R) :

Quelle est la quantité de courant (I) dans ce circuit ?

Dans ce deuxième exemple, nous allons calculer la quantité de résistance (R) dans un circuit, étant donné les valeurs de tension (E) et de courant (I) :

Quelle est la quantité de résistance (R) offerte par la lampe ?

Dans le dernier exemple, nous allons calculer la quantité de tension fournie par une batterie, étant donné les valeurs de courant (I) et de résistance (R) :

Quelle est la quantité de tension fournie par la batterie ?

Technique du triangle de la loi d'Ohm

La loi d'Ohm est un outil très simple et utile pour analyser les circuits électriques. Il est si souvent utilisé dans l'étude de l'électricité et de l'électronique qu'il doit être mémorisé par l'étudiant sérieux. Pour ceux qui ne sont pas encore à l'aise avec l'algèbre, il existe une astuce pour se rappeler comment résoudre n'importe quelle quantité, compte tenu des deux autres.

Tout d'abord, disposez les lettres E, I et R dans un triangle comme ceci :

Si vous connaissez E et I, et que vous souhaitez déterminer R, éliminez simplement R de l'image et voyez ce qui reste :

Si vous connaissez E et R, et que vous souhaitez déterminer I, éliminez I et voyez ce qui reste :

Enfin, si vous connaissez I et R, et que vous souhaitez déterminer E, éliminez E et voyez ce qui reste :

Finalement, vous devrez être familiarisé avec l'algèbre pour étudier sérieusement l'électricité et l'électronique, mais cette astuce peut rendre vos premiers calculs un peu plus faciles à retenir. Si vous êtes à l'aise avec l'algèbre, tout ce que vous avez à faire est de mémoriser E=IR et d'en dériver les deux autres formules lorsque vous en avez besoin !

AVIS :

• La tension est mesurée en volts , symbolisé par les lettres "E" ou "V".
• Le courant est mesuré en ampères , symbolisé par la lettre « I ».
• La résistance est mesurée en ohms , symbolisé par la lettre « R ».
• Loi d'Ohm :E =IR ; I =E/R; R =E/I

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Feuille de travail sur la loi d'Ohm
• Feuille de travail sur la pratique du droit d'Ohm avec réponses

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