Tension, courant, résistance et loi d'Ohm : 5 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:10

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Comment la charge électrique se rapporte à la tension, au courant et à la résistance.

Quels sont la tension, le courant et la résistance.

Qu'est-ce que la loi d'Ohm et comment l'utiliser pour comprendre l'électricité.

Une expérience simple pour démontrer ces concepts.

Étape 1: Charge électrique

La charge électrique est la propriété physique de la matière qui lui fait subir une force lorsqu'elle est placée dans un champ électromagnétique. Il existe deux types de charges électriques: positives et négatives (communément portées respectivement par les protons et les électrons). Comme les charges se repoussent et contrairement à l'attirance. Une absence de charge nette est appelée neutre. Un objet est chargé négativement s'il a un excès d'électrons, et est sinon chargé positivement ou non chargé. L'unité de charge électrique dérivée du SI est le coulomb (C). En génie électrique, il est également courant d'utiliser l'ampère-heure (Ah); tandis qu'en chimie, il est courant d'utiliser la charge élémentaire (e) comme unité. Le symbole Q désigne souvent la charge. Les premières connaissances sur la façon dont les substances chargées interagissent sont maintenant appelées électrodynamique classique et sont toujours exactes pour les problèmes qui ne nécessitent pas de prendre en compte les effets quantiques.

La charge électrique est une propriété fondamentale conservée de certaines particules subatomiques, qui détermine leur interaction électromagnétique. La matière chargée électriquement est influencée par ou produit des champs électromagnétiques. L'interaction entre une charge en mouvement et un champ électromagnétique est la source de la force électromagnétique, qui est l'une des quatre forces fondamentales (Voir aussi: champ magnétique).

Des expériences du vingtième siècle ont démontré que la charge électrique est quantifiée; c'est-à-dire qu'il se présente sous forme de multiples entiers de petites unités individuelles appelées charge élémentaire, e, approximativement égales à 1,602 × 10−19 coulombs (sauf pour les particules appelées quarks, qui ont des charges qui sont des multiples entiers de 1/3e). Le proton a une charge de +e et l'électron a une charge de -e. L'étude des particules chargées et de la manière dont leurs interactions sont médiées par les photons s'appelle l'électrodynamique quantique.

Étape 2: Tension：

La tension, la différence de potentiel électrique, la pression électrique ou la tension électrique (formellement notée ∆V ou ∆U, mais plus souvent simplifiée en V ou U, par exemple dans le contexte des lois des circuits d'Ohm ou de Kirchhoff) est la différence d'énergie potentielle électrique entre deux points par unité de charge électrique. La tension entre deux points est égale au travail effectué par unité de charge contre un champ électrique statique pour déplacer la charge d'essai entre deux points. Ceci est mesuré en unités de volts (un joule par coulomb).

La tension peut être causée par des champs électriques statiques, par un courant électrique à travers un champ magnétique, par des champs magnétiques variant dans le temps ou par une combinaison des trois.[1][2] Un voltmètre peut être utilisé pour mesurer la tension (ou la différence de potentiel) entre deux points d'un système; souvent, un potentiel de référence commun tel que la masse du système est utilisé comme l'un des points. Une tension peut représenter soit une source d'énergie (force électromotrice) soit une énergie perdue, utilisée ou stockée (chute de potentiel)

Lors de la description de la tension, du courant et de la résistance, une analogie courante est un réservoir d'eau. Dans cette analogie, la charge est représentée par la quantité d'eau, la tension est représentée par la pression de l'eau et le courant est représenté par le débit d'eau. Donc, pour cette analogie, rappelez-vous:

Eau = Charge

Pression = Tension

Débit = Courant

Considérons un réservoir d'eau à une certaine hauteur au-dessus du sol. Au fond de ce réservoir, il y a un tuyau.

Ainsi, le courant est plus faible dans le réservoir avec une résistance plus élevée.

Étape 3: Électricité：

L'électricité est la présence et le flux de charge électrique. Sa forme la plus connue est le flux d'électrons à travers des conducteurs tels que des fils de cuivre.

L'électricité est une forme d'énergie qui se présente sous des formes positives et négatives, qui se produit naturellement (comme dans la foudre) ou est produite (comme dans un générateur). C'est une forme d'énergie que nous utilisons pour alimenter les machines et les appareils électriques. Lorsque les charges ne bougent pas, l'électricité est appelée électricité statique. Lorsque les charges se déplacent, il s'agit d'un courant électrique, parfois appelé « électricité dynamique ». La foudre est le type d'électricité le plus connu et le plus dangereux dans la nature, mais parfois l'électricité statique fait que les choses se collent.

L'électricité peut être dangereuse, surtout autour de l'eau car l'eau est une forme de conducteur. Depuis le XIXe siècle, l'électricité est utilisée dans tous les aspects de notre vie. Jusque-là, c'était juste une curiosité vue dans un orage.

L'électricité peut être créée si un aimant passe à proximité d'un fil métallique. C'est la méthode utilisée par un générateur. Les plus gros générateurs se trouvent dans les centrales électriques. L'électricité peut également être produite en combinant des produits chimiques dans un bocal avec deux types différents de tiges métalliques. C'est la méthode utilisée dans une batterie. L'électricité statique est créée par le frottement entre deux matériaux. Par exemple, un bonnet en laine et une règle en plastique. Frottez-les ensemble peut faire une étincelle. L'électricité peut également être créée en utilisant l'énergie du soleil comme dans les cellules photovoltaïques.

L'électricité arrive dans les maisons par des fils de l'endroit où elle est produite. Il est utilisé par les lampes électriques, les radiateurs électriques, etc. De nombreux appareils électroménagers tels que les machines à laver et les cuisinières électriques utilisent de l'électricité. Dans les usines, il existe des machines électriques. Les personnes qui s'occupent de l'électricité et des appareils électriques dans nos maisons et nos usines sont appelées « électriciens ».

Disons maintenant que nous avons deux réservoirs, chaque réservoir avec un tuyau venant du bas. Chaque réservoir contient exactement la même quantité d'eau, mais le tuyau d'un réservoir est plus étroit que le tuyau de l'autre.

Nous mesurons la même pression à l'extrémité de chaque tuyau, mais lorsque l'eau commence à couler, le débit de l'eau dans le réservoir avec le tuyau le plus étroit sera inférieur au débit de l'eau dans le réservoir avec le tuyau plus large. En termes électriques, le courant à travers le tuyau le plus étroit est inférieur au courant à travers le tuyau plus large. Si nous voulons que le débit soit le même dans les deux tuyaux, nous devons augmenter la quantité d'eau (charge) dans le réservoir avec le tuyau le plus étroit.

Étape 4: Résistance électrique et conductance

Dans l'analogie hydraulique, le courant circulant dans un fil (ou une résistance) est comme de l'eau circulant dans un tuyau, et la chute de tension à travers le fil est comme la chute de pression qui pousse l'eau à travers le tuyau. La conductance est proportionnelle à la quantité de débit qui se produit pour une pression donnée, et la résistance est proportionnelle à la quantité de pression requise pour atteindre un débit donné. (La conductance et la résistance sont réciproques.)

La chute de tension (c'est-à-dire la différence entre les tensions d'un côté de la résistance et de l'autre), et non la tension elle-même, fournit la force motrice poussant le courant à travers une résistance. En hydraulique, c'est similaire: la différence de pression entre les deux côtés d'un tuyau, et non la pression elle-même, détermine le débit qui le traverse. Par exemple, il peut y avoir une forte pression d'eau au-dessus du tuyau, ce qui essaie de pousser l'eau vers le bas à travers le tuyau. Mais il peut y avoir une pression d'eau tout aussi importante sous le tuyau, qui essaie de repousser l'eau à travers le tuyau. Si ces pressions sont égales, aucune eau ne coule. (Dans l'image de droite, la pression de l'eau sous le tuyau est nulle.)

La résistance et la conductance d'un fil, d'une résistance ou d'un autre élément sont principalement déterminées par deux propriétés:

• géométrie (forme), et
• Matériel

La géométrie est importante car il est plus difficile de faire passer l'eau à travers un tuyau long et étroit qu'un tuyau large et court. De la même manière, un fil de cuivre long et fin a une résistance plus élevée (conductance inférieure) qu'un fil de cuivre court et épais.

Les matériaux sont également importants. Un tuyau rempli de poils restreint davantage le débit d'eau qu'un tuyau propre de la même forme et de la même taille. De même, les électrons peuvent circuler librement et facilement à travers un fil de cuivre, mais ne peuvent pas circuler aussi facilement à travers un fil d'acier de la même forme et de la même taille, et ils ne peuvent pratiquement pas du tout circuler à travers un isolant comme le caoutchouc, quelle que soit sa forme. La différence entre le cuivre, l'acier et le caoutchouc est liée à leur structure microscopique et à leur configuration électronique, et est quantifiée par une propriété appelée résistivité.

En plus de la géométrie et du matériau, il existe divers autres facteurs qui influencent la résistance et la conductance.

Il va de soi que nous ne pouvons pas faire passer autant de volume dans un tuyau étroit qu'un tuyau plus large à la même pression. C'est la résistance. Le tuyau étroit "résiste" à l'écoulement de l'eau à travers lui même si l'eau est à la même pression que le réservoir avec le tuyau plus large.

En termes électriques, cela est représenté par deux circuits avec des tensions égales et des résistances différentes. Le circuit avec la résistance la plus élevée permettra à moins de charge de circuler, ce qui signifie que le circuit avec la résistance la plus élevée a moins de courant qui le traverse.

Étape 5: la loi d'Ohm：

La loi d'Ohm stipule que le courant traversant un conducteur entre deux points est directement proportionnel à la tension entre les deux points. En introduisant la constante de proportionnalité, la résistance, on arrive à l'équation mathématique habituelle qui décrit cette relation:

où I est le courant traversant le conducteur en unités d'ampères, V est la tension mesurée aux bornes du conducteur en unités de volts et R est la résistance du conducteur en unités d'ohms. Plus précisément, la loi d'Ohm stipule que le R dans cette relation est constant, indépendant du courant.

La loi a été nommée d'après le physicien allemand Georg Ohm, qui, dans un traité publié en 1827, a décrit les mesures de la tension et du courant appliqués à travers des circuits électriques simples contenant différentes longueurs de fil. Ohm a expliqué ses résultats expérimentaux par une équation légèrement plus complexe que la forme moderne ci-dessus (voir Histoire).

En physique, le terme loi d'Ohm est également utilisé pour désigner diverses généralisations de la loi initialement formulée par Ohm.