Les circuits électriques sont à la base de chaque appareil électrique que tu utilises dans ta vie quotidienne. Ton téléphone portable, ton ordinateur, la voiture dans laquelle tu conduis, ta console de jeu, les lumières de ta maison, ils utilisent tous des circuits électriques afin de transférer de l'énergie. Cela reste l'objectif fondamental des circuits électriques : Transférer l'énergie d'une source (comme l'énergie chimique dans la batterie de ton téléphone) à une énergie comme la lumière et le son via l'énergie électrique.
Qu'est-ce qu'un circuit électrique ?
Les appareils électriques fonctionnent en transférant de l'énergie grâce au mouvement des électrons, qui ont une charge négative. Le mouvement de ces porteurs de charge est utilisé soit pour fournir de l'énergie à des composants comme les moteurs et les lampes, soit pour stocker et traiter électroniquement des données dans des appareils numériques. Un flux de porteurs de charge dans un circuit électrique s'appelle un courant. L'intensité du courant est mesurée avec l'unité SI des Ampères (A) et est représenté par le symbole I.
De nombreux matériaux peuvent être décrits comme des conducteurs ou des isolants électriques. Un conducteur permet aux électrons de se déplacer facilement à travers lui, alors que les isolants ne le permettent pas. La plupart des métaux sont de bons conducteurs ; le meilleur conducteur électrique parmi les matériaux utilisés couramment à température ambiante est l'argent. D'autres métaux à forte conductivité sont le cuivre et l'aluminium. Des exemples de matériaux isolants (avec une faible conductivité) sont le verre, le bois, le papier, le plastique et la plupart des gaz. Les isolants sont parfois appelés diélectriques. En utilisant des conducteurs pour relier les composants entre eux, nous pouvons créer un circuit électrique.
Un circuit électrique est une série de composants électroniques reliés entre eux par des fils ou des traces conductrices afin de permettre au courant de circuler, d'alimenter les composants et permettre un certain usage. Un circuit électrique fournit du courant aux composants, tandis qu'un circuit électronique utilise des conducteurs pour transférer et traiter des données.
Analogie du circuit électrique
Ces quantités peuvent être difficiles à comprendre au début, car elles ne sont pas toujours intuitives. En guise d'analogie, prenons l'exemple d'une pizzeria et de quelques livreurs :
Figure 1 - Une analogie de circuit utilisant une pizzeria comme exemple (source : Boardworks)
- Le restaurant prépare les pizzas, ce qui représente la source d'alimentation fournissant de l'énergie au circuit (comme une batterie).
- Les livreurs représentent les électrons (porteurs de charge), et ils transportent les pizzas sur un itinéraire spécifique, ce qui représente les conducteurs (fils) du circuit.
- Le taux avec lequel les livreurs collectent les pizzas du restaurant représente l'intensité du courant. Celui-ci est égal au débit de chauffeurs-livreurs effectuant des livraisons.
- Le nombre de pizzas transportées par chauffeur-livreur représente la tension.
- Les clients représentent des appareils qui consomment de l'énergie (dans ce cas, la maison représente une ampoule). Les clients plus énergiques ont besoin de plus de pizzas.
- Chaque arrêt que le chauffeur-livreur doit faire augmente le temps total qu'il passe sur la route. Cela peut représenter une résistance. La maison sur l'image peut avoir beaucoup de personnes qui veulent des pizzas. Il se peut donc que le chauffeur-livreur mette beaucoup de temps à les livrer toutes en même temps, donc la maison, en tant qu'appareil, a une résistance élevée.
Schéma du circuit électrique
Lorsque tu dessines des diagrammes pour représenter des circuits, il est crucial de respecter les conventions afin d'éviter toute confusion lorsque différentes personnes interprètent les diagrammes. Tout le monde n'a pas les compétences artistiques nécessaires pour dessiner une ampoule exacte, par exemple, et la forme et le style des ampoules peuvent considérablement différer d'un laboratoire à l'autre. On peut dire pareil des innombrables autres appareils qui peuvent être placés dans un circuit. C'est pourquoi nous adoptons une convention ! Cela signifie que tous les composants communs ont leur propre symbole unique (et facile à dessiner), et que les fils sont toujours dessinés comme des lignes droites, avec des raccordements dessinés à 90 degrés, comme illustré ci-dessous :
Figure 2 - Ceci montre comment un circuit contenant deux ampoules et une batterie doit être représenté sous forme schématique. Note qu'il n'y a pas de lignes courbes dans le diagramme, et que les deux ampoules ont le même symbole commun (source : Quizly)
Symboles circuit électrique
Les symboles de circuit les plus courants avec lesquels tu devras te familiariser sont indiqués ci-dessous :
Figure 3 - Symboles courants des schémas de circuit
Court-circuit
On dit qu'un appareil électrique est court-circuité, lorsque l'on relie ses bornes par un fil de connexion.
Circuit électrique en série et circuit électrique en dérivation
Les deux principaux types de circuits que tu rencontreras sont les circuits électriques en série et les circuits électriques en dérivation encore appelés circuits en parallèle. Il existe une différence simple entre ces deux circuits :
- Circuit en série : les électrons n'ont qu'un seul chemin à suivre dans le circuit.
- Circuit en parallèle : les électrons ont plusieurs chemins à suivre dans le circuit.
Dans le circuit en série, les électrons n'ont qu'un seul chemin dans le circuit et doivent tous passer par les lampes A et B. Dans le circuit en parallèle, les électrons peuvent passer par la lampe A ou la lampe B (source : ggebooks).
Pour les composants connectés en série :
- Le courant qui traverse chaque composant est le même.
- La différence de potentiel (tension) à travers chaque composant s'ajoute pour atteindre la tension d'alimentation.
- La résistance totale (équivalente) du circuit est la somme de toutes les résistances du circuit.
\[R_{éq}=R_1 + R_2 + R_3 + ... + R_n \] Tel que \(n\) est le nombre de résistances présentes dans le circuit en série.
Pour les composants connectés en parallèle :
- Le courant dans le circuit se divise le long de chaque branche selon la proportion inverse de la résistance de chaque branche. C'est-à-dire que si une branche a une résistance double de celle d'une autre branche, alors elle recevra la moitié du courant de l'autre branche.
- La tension aux bornes de toutes les branches est la même et est égale à la tension d'alimentation.
- L'inverse de la résistance totale du circuit est la somme des inverses des résistances de chaque branche.
\[\frac{1}{R_{éq}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \frac{1}{R_3} + ... + \frac{1}{R_n}\]
Pour aider à visualiser cela en utilisant notre analogie de livraison de pizza de tout à l'heure, nous pouvons imaginer que nous devons livrer de la pizza à deux maisons. Dans un circuit en série, les conducteurs doivent visiter les deux maisons de la boucle et répartir la pizza qu'ils transportent entre chaque arrêt. Cela signifie que chaque maison reçoit moins de pizza de chaque conducteur (une fraction de la tension de la source). Cependant, comme tous les conducteurs suivent le même itinéraire, le nombre de conducteurs arrivant à chaque maison est le même (égal au courant de la source).
Dans un circuit parallèle, la moitié des conducteurs vont dans une maison et l'autre moitié dans l'autre. Cela signifie que les conducteurs peuvent livrer toute la pizza qu'ils transportent lorsqu'ils arrivent à la maison (égale à la tension de la source). Cependant, le débit de conducteurs est inférieur à celui du circuit en série (car seule une fraction du courant de la source traverse chaque maison).
Un exemple courant d'une application qui utilise un circuit en parallèle est l'éclairage de ta maison ! Si toutes les lampes étaient connectées sur un circuit en série, une seule ampoule cassée signifierait que toutes tes lampes s'éteignent ! En connectant les lumières en parallèle, une ampoule peut se casser sur une boucle et le courant peut toujours circuler à travers toutes les autres, ce qui permet de garder tes lampes allumées !
Puissance électrique
La définition de la puissance, que ce soit pour les composants électriques ou mécaniques, est la quantité d'énergie, en Joules, transférée par seconde.
\[P=\frac{E}{\Delta t}\]
Où la puissance est mesurée en watts \(W\), l'énergie transférée est mesurée en joules \(J\) et le temps est mesuré en secondes \(s\) lorsque les unités SI sont utilisées.
L'équation de l'énergie électrique transférée est la suivante :
\[E = U\times I \times \Delta t\]
Où \(U\) est la tension électrique en volts (\(V\)), I est le courant électrique en ampères (\(A\)) et \(\Delta t\) est l'intervalle de temps en secondes (\(s\)).
En remplacant E par son expression dans l'expression de la puissance, nous obtenons : \[P= U\times I\]
Par conséquent, un composant électrique plus puissant nécessitera soit un courant soit une tension plus élevés (ou les deux simultanément) et consommera plus d'énergie pendant une période donnée.
Dans tes expériences en classe, tu as peut-être utilisé des ampoules à filament. Tu peux savoir qu'il s'agit d'ampoules à filament, car elles contiennent un filament en métal qui se réchauffe, ce qui fait briller le filament. Les ampoules à filament étaient autrefois le type d'ampoule le plus courant dans les maisons et sur les lieux de travail, mais elles nécessitent beaucoup d'énergie pour produire une quantité de lumière utilisable ; généralement autour de \(75W\), ou \(75\) Joules par seconde \(J/s\). Les nouvelles ampoules DEL (ou LED en anglais) à faible consommation d'énergie ont maintenant largement remplacé les ampoules à filament dans les bâtiments. Elles brillent tout autant, mais ont une puissance de \(10W\) seulement ou moins.
Les ampoules à filament ne sont pas économes en énergie, car elles dissipent beaucoup d'énergie sous forme de chaleur perdue (au lieu de lumière rayonnée, ce qui diminue le rendement). Pour chauffer, elles ont besoin d'une résistance élevée. Afin de calculer la perte de puissance due à la résistance, nous pouvons substituer l'équation de la loi d'Ohm dans notre équation de puissance.
Rappelons l'expression de la loi d'Ohm : \[U=R\times I\] R étant la résistance en ohms (\(\Omega\)).
Remplaçons l'expression de \(U\) dans celle de la puissance : \[P = U\times I = R\times I \times I\]\[\rightarrow \boxed{P=R\times I^2}\]
Nous pouvons également démontrer une équation équivalente à cette dernière, mais cette fois, nous substituerons \(I\) dans l'expression de la puissance.
D'après la loi d'Ohm :
\[U=R\times I \rightarrow I=\frac{U}{R}\]
Remplaçons \(I\) dans \(P\) :
\[P=U\times I = U\times \frac{U}{R} = \frac{U^2}{R}\] \[\rightarrow \boxed{P=\frac{U^2}{R}}\]
Quelle est la perte de puissance à travers une ampoule à filament de résistance \(200\Omega\) et de courant de \(0,\!5 A\) ?
\[P=I^2 \cdot R = (0,5)^2 \cdot 200=50 W\]
La tension multipliée par le courant équivaut au taux de transfert d'énergie électrique. En effet, le courant est une mesure du nombre de coulombs de charge qui circulent par seconde, et la tension est la quantité d'énergie transportée par chaque coulomb de charge. Par conséquent, en les multipliant ensemble, nous trouvons la quantité d'énergie transportée par les porteurs de charge par seconde, et comme nous le savons, la puissance est une mesure de la quantité d'énergie transférée par seconde.
Circuit Électrique - Points-clés
- Les circuits électriques relient les composants aux conducteurs, permettant aux électrons de se déplacer entre eux et à un courant de circuler lorsqu'une tension est appliquée. Cela permet d'alimenter les composants.
- La résistance des composants du circuit est liée au courant et à la tension par la loi d'Ohm, qui stipule que \(U=R\times I\).
- Les schémas de circuit montrent comment les différents composants d'un circuit électrique sont connectés grâce à des symboles pour représenter les différentes parties. Les lignes conductrices sont alignées à l'horizontale ou à la verticale pour plus de clarté.
- Il existe deux façons principales de câbler les composants d'un circuit : en série ou en parallèle. Les circuits en série n'offrent qu'un seul chemin pour les électrons, tandis que les circuits en parallèle offrent plus d'un chemin pour les électrons.
- La résistance totale des composants en série est la somme des résistances individuelles, et la tension est partagée entre les composants. La résistance totale des composants en parallèle est inférieure à la plus petite résistance individuelle, et le courant total est partagé entre les composants.
- La définition de la puissance, que ce soit pour les composants électriques ou mécaniques, est la quantité d'énergie, en Joules, transférée par seconde.
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