Théorie des circuits en courant continu

La relation fondamentale entre la tension, le courant et la résistance dans un circuit électrique ou électronique est appelée loi d’Ohm.

Tous les matériaux sont constitués d’atomes, et tous les atomes sont composés de protons, de neutrons et d’électrons. Les protons ont une charge électrique positive. Les neutrons n’ont pas de charge électrique (ils sont neutres), tandis que les électrons ont une charge électrique négative. Les atomes sont liés entre eux par de puissantes forces d’attraction existant entre le noyau de l’atome et les électrons de son enveloppe extérieure.

Lorsque ces protons, neutrons et électrons sont réunis au sein de l’atome, ils sont heureux et stables. Mais si nous les séparons les uns des autres, ils veulent se reformer et commencent à exercer un potentiel d’attraction appelé différence de potentiel.

Si nous créons un circuit fermé, ces électrons libres vont commencer à se déplacer et à dériver vers les protons en raison de leur attraction, créant ainsi un flux d’électrons. Ce flux d’électrons s’appelle un courant électrique. Les électrons ne circulent pas librement dans le circuit car le matériau qu’ils traversent crée une restriction au flux d’électrons. Cette restriction est appelée résistance.

Tous les circuits électriques ou électroniques de base se composent donc de trois grandeurs électriques distinctes mais très liées entre elles, appelées : La tension, ( v ), le courant, ( i ) et la résistance, ( Ω ).

Tension électrique

La tension (V) est l’énergie potentielle d’une alimentation électrique stockée sous la forme d’une charge électrique. La tension peut être considérée comme la force qui pousse les électrons dans un conducteur et plus la tension est élevée, plus elle est capable de « pousser » les électrons dans un circuit donné. Comme l’énergie a la capacité d’effectuer un travail, cette énergie potentielle peut être décrite comme le travail requis en joules pour déplacer les électrons sous la forme d’un courant électrique dans un circuit d’un point ou d’un nœud à un autre.

La différence de tension entre deux points, connexions ou jonctions (appelés nœuds) d’un circuit est connue sous le nom de différence de potentiel (p.d.), communément appelée chute de tension.

La différence de potentiel entre deux points est mesurée en volts avec le symbole de circuit V, ou « v » minuscule, bien que l’énergie, E minuscule « e » soit parfois utilisée pour indiquer une force électromotrice générée. Ainsi, plus la tension est élevée, plus la pression (ou la force de poussée) est importante et plus la capacité à effectuer un travail est grande.

Une source de tension constante est appelée tension continue, tandis qu’une tension qui varie périodiquement dans le temps est appelée tension alternative. La tension est mesurée en volts, un volt étant défini comme la pression électrique nécessaire pour forcer un courant électrique d’un ampère à travers une résistance d’un ohm. Les tensions sont généralement exprimées en volts, avec des préfixes utilisés pour désigner des sous-multiples de la tension, comme les microvolts ( μV = 10-6 V ), les millivolts ( mV = 10-3 V ) ou les kilovolts ( kV = 103 V ). La tension peut être positive ou négative.

Les batteries ou les alimentations sont principalement utilisées pour produire une source de tension continue (courant continu) telle que 5v, 12v, 24v etc. dans les circuits et systèmes électroniques. Les sources de tension alternative sont disponibles pour l’alimentation et l’éclairage domestiques et industriels, ainsi que pour la transmission de l’énergie. La tension du secteur au Royaume-Uni est actuellement de 230 volts c.a. et de 110 volts c.a. aux États-Unis.

Les circuits électroniques généraux fonctionnent avec des piles à basse tension continue, entre 1,5 et 24V dc. Le symbole de circuit pour une source de tension constante est généralement donné comme un symbole de pile avec un signe positif, +, et négatif, -, indiquant la direction de la polarité. Le symbole de circuit pour une source de tension alternative est un cercle avec une onde sinusoïdale à l’intérieur.

Symboles de tension

Une relation simple peut être établie entre un réservoir d’eau et une alimentation en tension. Plus le réservoir d’eau est élevé au-dessus de la sortie, plus la pression de l’eau est importante, car plus d’énergie est libérée, et plus la tension est élevée, plus l’énergie potentielle est importante, car plus d’électrons sont libérés.

La tension est toujours mesurée comme la différence entre deux points quelconques d’un circuit et la tension entre ces deux points est généralement appelée « chute de tension ». Notez que la tension peut exister dans un circuit sans courant, mais que le courant ne peut exister sans tension et que, par conséquent, toute source de tension, qu’elle soit continue ou alternative, aime les conditions de circuit ouvert ou semi-ouvert, mais déteste les conditions de court-circuit car cela peut la détruire.

Le courant électrique

Le courant électrique (I) est le mouvement ou le flux de charges électriques et se mesure en ampères (symbole i pour intensité). C’est le flux continu et uniforme (appelé dérive) d’électrons (les particules négatives d’un atome) autour d’un circuit qui sont « poussés » par la source de tension. En réalité, les électrons circulent de la borne négative (-ve) vers la borne positive (+ve) de l’alimentation et, pour faciliter la compréhension des circuits, le flux de courant conventionnel suppose que le courant circule de la borne positive vers la borne négative.

En général, dans les schémas de circuit, le flux de courant à travers le circuit comporte une flèche associée au symbole, I, ou i minuscule pour indiquer la direction réelle du flux de courant. Toutefois, cette flèche indique généralement la direction du flux de courant conventionnel et pas nécessairement la direction du flux réel.

Flux de courant conventionnel

Par convention, il s’agit du flux de charge positive autour d’un circuit, du positif au négatif. Le diagramme de gauche montre le mouvement de la charge positive (trous) autour d’un circuit fermé qui part de la borne positive de la batterie, traverse le circuit et revient à la borne négative de la batterie. Ce flux de courant du positif au négatif est généralement connu sous le nom de flux de courant conventionnel.

C’était la convention choisie lors de la découverte de l’électricité dans laquelle on pensait que le sens du courant électrique circulait dans un circuit. Pour poursuivre dans cette voie, dans tous les diagrammes et schémas de circuits, les flèches figurant sur les symboles de composants tels que les diodes et les transistors sont orientées dans le sens du courant conventionnel.

Le flux de courant conventionnel donne donc le flux de courant électrique du positif au négatif et qui est de sens opposé au flux réel des électrons.

Flux d’électrons

Le courant qui circule dans un circuit électrique est composé d’électrons qui partent du pôle négatif de la batterie (la cathode) et reviennent au pôle positif (l’anode) de la batterie.

En effet, la charge d’un électron est négative par définition et il est donc attiré vers la borne positive. Ce flux d’électrons est appelé flux de courant d’électrons. Par conséquent, les électrons circulent réellement dans un circuit de la borne négative à la borne positive.

De nombreux manuels utilisent à la fois le flux de courant conventionnel et le flux d’électrons. En fait, le sens de circulation du courant dans le circuit n’a pas d’importance, tant que le sens est utilisé de manière cohérente. Le sens de circulation du courant n’affecte pas ce que fait le courant dans le circuit. En général, il est beaucoup plus facile de comprendre la circulation conventionnelle du courant – du positif au négatif.

Dans les circuits électroniques, une source de courant est un élément de circuit qui fournit une quantité spécifiée de courant, par exemple 1A, 5A, 10 ampères, etc. Le symbole de circuit pour une source de courant constant est un cercle avec une flèche à l’intérieur indiquant sa direction.

Le symbole de circuit pour une source de courant constant est un cercle avec une flèche à l’intérieur indiquant sa direction. Le courant est mesuré en ampères et un ampère est défini comme le nombre d’électrons ou de charges (Q en Coulombs) passant par un certain point du circuit en une seconde (t en secondes).

Le courant électrique est généralement exprimé en ampères, avec des préfixes utilisés pour désigner les microampères ( μA = 10-6A ) ou les milliampères ( mA = 10-3A ). Notez que le courant électrique peut avoir une valeur positive ou négative en fonction de la direction dans laquelle il circule dans le circuit.

Le courant qui circule dans une seule direction est appelé courant continu, ou CC, et le courant qui circule alternativement dans le circuit est appelé courant alternatif, ou CA. Qu’il soit alternatif ou continu, le courant ne circule dans un circuit que lorsqu’une source de tension y est connectée, son « débit » étant limité à la fois par la résistance du circuit et par la source de tension qui le pousse.

De plus, comme les courants alternatifs (et les tensions) sont périodiques et varient dans le temps, la valeur « effective » ou « RMS » (Root Mean Squared) donnée par Irms produit la même perte de puissance moyenne équivalente à un courant continu Iaverage . Les sources de courant sont à l’opposé des sources de tension en ce sens qu’elles aiment les conditions de circuit court ou fermé mais détestent les conditions de circuit ouvert car aucun courant ne circule.

En utilisant la relation entre le réservoir et l’eau, le courant est l’équivalent du débit d’eau dans le tuyau, le débit étant le même dans tout le tuyau. Plus le débit d’eau est rapide, plus le courant est important. Notez que le courant ne peut pas exister sans tension. Par conséquent, toute source de courant, qu’il s’agisse de courant continu ou alternatif, aime les conditions de court-circuit ou de semi-court-circuit, mais déteste toute condition de circuit ouvert, qui l’empêche de circuler.

Résistance

La résistance (R) est la capacité d’un matériau à résister ou à empêcher le flux de courant ou, plus précisément, le flux de charge électrique dans un circuit. L’élément du circuit qui remplit parfaitement cette fonction s’appelle la « résistance ».

La résistance est un élément de circuit mesuré en Ohms, symbole grec ( Ω, Omega ) avec des préfixes utilisés pour désigner les Kilo-ohms ( kΩ = 103Ω ) et les Méga-ohms ( MΩ = 106Ω ). Notez que la résistance ne peut pas avoir une valeur négative, mais seulement positive.

Symboles des résistances

La valeur de la résistance d’une résistance est déterminée par la relation entre le courant qui la traverse et la tension qui la traverse, ce qui permet de déterminer si l’élément du circuit est un « bon conducteur » – faible résistance – ou un « mauvais conducteur » – résistance élevée. Une faible résistance, par exemple 1Ω ou moins, implique que le circuit est un bon conducteur fabriqué à partir de matériaux tels que le cuivre, l’aluminium ou le carbone, tandis qu’une résistance élevée, 1MΩ ou plus, implique que le circuit est un mauvais conducteur fabriqué à partir de matériaux isolants tels que le verre, la porcelaine ou le plastique.

Un « semi-conducteur » en revanche, comme le silicium ou le germanium, est un matériau dont la résistance se situe à mi-chemin entre celle d’un bon conducteur et celle d’un bon isolant. D’où le nom de « semi-conducteur ». Les semi-conducteurs sont utilisés pour fabriquer des diodes et des transistors, etc.

La résistance peut être linéaire ou non linéaire par nature, mais jamais négative. La résistance linéaire obéit à la loi d’Ohm : la tension aux bornes de la résistance est linéairement proportionnelle au courant qui la traverse. La résistance non linéaire n’obéit pas à la loi d’Ohm mais présente une chute de tension proportionnelle à une certaine puissance du courant.

La résistance est pure et n’est pas affectée par la fréquence. L’impédance en courant alternatif d’une résistance est égale à sa résistance en courant continu et, par conséquent, ne peut pas être négative. Rappelez-vous que la résistance est toujours positive, et jamais négative.

Une résistance est classée comme un élément de circuit passif et, en tant que tel, ne peut pas délivrer de puissance ou stocker de l’énergie. Au contraire, les résistances absorbent l’énergie qui apparaît sous forme de chaleur et de lumière. La puissance dans une résistance est toujours positive, quelle que soit la polarité de la tension et le sens du courant.

Pour les très faibles valeurs de résistance, par exemple les milli-ohms, ( mΩ ), il est parfois beaucoup plus facile d’utiliser la réciproque de la résistance ( 1/R ) plutôt que la résistance ( R ) elle-même. La réciproque de la résistance est appelée Conductance, symbole ( G ) et représente la capacité d’un conducteur ou d’un dispositif à conduire l’électricité.

En d’autres termes, la facilité avec laquelle le courant circule. Des valeurs élevées de conductance impliquent un bon conducteur tel que le cuivre, tandis que des valeurs faibles de conductance impliquent un mauvais conducteur tel que le bois. L’unité de mesure standard donnée pour la conductance est le Siemen, symbole (S).

L’unité utilisée pour la conductance est le mho (ohm orthographié à l’envers), qui est symbolisé par un signe Ohm inversé ℧. La puissance peut également être exprimée à l’aide de la conductance comme suit : p = i2/G = v2G.

La relation entre la tension, ( v ) et le courant, ( i ) dans un circuit de résistance constante, ( R ) produirait une relation i-v en ligne droite avec une pente égale à la valeur de la résistance, comme indiqué.

Résumé sur la tension, le courant et la résistance

Nous espérons que vous avez maintenant une idée de la relation étroite qui existe entre la tension, le courant et la résistance électriques. La relation entre la tension, le courant et la résistance constitue la base de la loi d’Ohm. Dans un circuit linéaire à résistance fixe, si nous augmentons la tension, le courant augmente, et de même, si nous diminuons la tension, le courant diminue. Cela signifie que si la tension est élevée, le courant est élevé, et que si la tension est faible, le courant est faible.

De même, si l’on augmente la résistance, le courant diminue pour une tension donnée et si l’on diminue la résistance, le courant augmente. Cela signifie que si la résistance est élevée, le courant est faible et si la résistance est faible, le courant est élevé.

On constate alors que le courant circulant dans un circuit est directement proportionnel ( ∝ ) à la tension, ( V↑ cause I↑ ) mais inversement proportionnel ( 1/∝ ) à la résistance comme, ( R↑ cause I↓ ).

Un résumé de base des trois unités est donné ci-dessous.

• La tension ou différence de potentiel est la mesure de l’énergie potentielle entre deux points d’un circuit et est communément appelée sa  » chute de tension « .
• Lorsqu’une source de tension est connectée à un circuit en boucle fermée, la tension produit un courant qui circule dans le circuit.
• Dans les sources de tension continue, les symboles +ve (positif) et -ve (négatif) sont utilisés pour indiquer la polarité de l’alimentation en tension.
• La tension est mesurée en volts et porte le symbole V pour tension ou E pour énergie électrique.
• Le flux de courant est une combinaison du flux d’électrons et du flux de trous dans un circuit.
• Le courant est le flux continu et uniforme de la charge dans le circuit. Il est mesuré en ampères et porte le symbole I.
• Le courant est directement proportionnel à la tension ( I ∝ V )
• La valeur effective (rms) d’un courant alternatif a la même perte de puissance moyenne équivalente à un courant continu circulant dans un élément résistif.
• La résistance est l’opposition au passage du courant dans un circuit.
• De faibles valeurs de résistance impliquent un conducteur et de fortes valeurs de résistance impliquent un isolant.
• Le courant est inversement proportionnel à la résistance ( I 1/∝ R )
• La résistance est mesurée en Ohms et porte le symbole grec Ω ou la lettre R.

Dans le prochain tutoriel sur les circuits en courant continu, nous examinerons la loi d’Ohm, qui est une équation mathématique expliquant la relation entre la tension, le courant et la résistance dans les circuits électriques et qui constitue la base de l’électronique et de l’ingénierie électrique.

La loi d’Ohm est définie comme suit V = I*R.