Circuits électriques : guide complet
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1. Introduction
Un circuit électrique est le chemin suivi par le courant électrique. Il comporte trois éléments fondamentaux : le générateur, le récepteur et les conducteurs qui les relient. Le générateur produit l'électricité, qui circule à travers les conducteurs et est absorbée par le récepteur. L'étude des phénomènes électriques nécessite la prise en compte des grandeurs électriques et de leurs unités.
2. Phénomènes électriques
Le passage d'un courant électrique dans un conducteur produit plusieurs phénomènes observables si la différence de potentiel est suffisante et le courant assez intense. Voici quelques exemples :
Effets magnétiques
L'expérience d'Oersted montre qu'un courant électrique crée un champ magnétique. L'expérience de Rowland démontre la création d'un champ magnétique par le déplacement d'un corps chargé (courant de convection).
Effets thermiques
L'effet Joule est le dégagement de chaleur dans un conducteur traversé par un courant électrique. Ce dégagement est dû aux collisions entre les particules chargées en mouvement et les particules du milieu.
Effets chimiques
L'électrolyse est la décomposition chimique d'une substance par le passage d'un courant électrique (ex : électrolyse d'une solution de chlorure de cuivre).
Effets lumineux
Ce phénomène se produit lors du passage d'un courant électrique dans un gaz (ex : néon) ou lors de la formation d'un arc électrique.
Effets biologiques
Le passage d'un courant électrique dans un organisme vivant peut provoquer des brûlures, des coagulations, etc., dont la gravité dépend de l'intensité du courant. Ces blessures sont causées par les effets chimiques et l'effet Joule.
3. Grandeurs électriques
Différence de potentiel électrique (tension)
La différence de potentiel Vb - Va est le travail effectué par unité de charge par le champ électrique lorsqu'une charge positive se déplace du point A au point B. Son unité est le volt (V). Un voltmètre mesure la différence de potentiel.
Courant électrique
Le courant électrique est la quantité d'électricité qui traverse un circuit par unité de temps (seconde). Son unité est l'ampère (A). Un ampèremètre mesure le courant.
Force électromotrice (fém)
La force électromotrice est la force qui maintient les électrons en mouvement dans un circuit. Elle est produite par les générateurs et se mesure en volts. La fém d'un générateur réel est égale à la tension à ses bornes uniquement en circuit ouvert.
Résistance
Résistivité
La résistivité d'une substance est la résistance d'un cylindre de cette substance de 1 m de long et de 1 mm² de section. Elle est notée « r ».
Résistance d'un conducteur
La résistance d'un conducteur dépend de la nature de la substance, de sa longueur et de sa section. Son unité est l'ohm (Ω). R = r x L / S
Conductance
La conductance est l'inverse de la résistance.
Influence de la température sur la résistance
La résistance d'un conducteur augmente avec sa température. Cette augmentation est généralement linéaire et est caractérisée par le coefficient de température « a ».
Valeur de la résistance à une température donnée
La résistance à une température t peut être calculée à partir de la résistance à 20 °C : R = R20 (1 + a (t - 20))
Capacité d'un condensateur
La capacité d'un condensateur est sa capacité à accumuler des charges électriques. C = Q / V. Son unité est le farad (F).
Puissance électrique
La puissance absorbée par une partie d'un circuit entre les points a et b est donnée par : P = I x Vab. La puissance s'exprime en watts.
Énergie électrique
Le travail effectué par un appareil est donné par : W = P x t = V x I x t.
Intensité du courant sinusoïdal
Un courant sinusoïdal est un courant dont l'intensité varie selon la fonction : i = Im x sin(ωt + φ).
Tension sinusoïdale
De même, une tension sinusoïdale varie selon une fonction sinusoïdale.
Période et fréquence
La période est le temps nécessaire pour un cycle complet. La fréquence est le nombre de cycles par seconde (unité : hertz, Hz). f = 1 / T
Valeurs moyennes et efficaces des tensions et courants alternatifs
Pour un courant alternatif, on définit une valeur moyenne et une valeur efficace.
Inductance
L'inductance est la relation entre le flux magnétique total créé par un courant et ce courant.
Résistance capacitive
La résistance capacitive est l'opposition d'un condensateur au passage d'un courant alternatif : Xc = 1/(ωC).
Résistance inductive
La résistance inductive est l'opposition d'une inductance au passage d'un courant alternatif : Xl = ωL.
Impédance
L'impédance Z est la mesure de l'opposition totale à un courant alternatif dans un circuit contenant des résistances, inductances et capacités. Z = √(R² + (ωL - 1/(ωC))²)
Admittance
L'admittance est l'inverse de l'impédance.
4. Lois fondamentales
Loi d'Ohm
L'intensité du courant dans un circuit est directement proportionnelle à la tension et inversement proportionnelle à la résistance : I = V / R.
Loi de Joule
Le passage d'un courant électrique dans un conducteur produit un échauffement.
Lois de Kirchhoff
Première loi de Kirchhoff
La somme des courants entrant dans un nœud est égale à la somme des courants sortant.
Deuxième loi de Kirchhoff
Dans une maille, la somme des forces électromotrices est égale à la somme des chutes de tension.