Le câblage électrique de votre maison qui fait bourdonner votre ordinateur portable, votre chargeur de téléphone et des outils moins importants tels que les réfrigérateurs et les cuisinières se compose d'un certain nombre de circuits électriques interconnectés. Ceux-ci sont connectés à n'importe quelle source d'alimentation qui alimente votre maison en électricité.
Le but des circuits est d'amener l'électricité et son potentiel énergétique considérable exactement là où elle doit aller, et de contenir les effets potentiellement nocifs de l'électricité dans le processus.
Que se passe-t-il à l'intérieur de tous ces fils, qui eux-mêmes sont pour la plupart hors de votre vue? Pour commencer par les bases, les électrons libres vont se déplacer en présence d'un champ électrique, pour des raisons physiques qui seront décrites plus loin. Si on leur donne un chemin en boucle fermée dans lequel circuler, un circuit électrique peut être créé.
Un circuit simple se compose uniquement d'une source de tension (différence de potentiel électrique); un milieu à travers lequel les électrons peuvent circuler, généralement un fil; et une source de résistance électrique dans le circuit. Cependant, la plupart des exemples du monde réel sont beaucoup plus complexes et il existe plusieurs types de circuits électriques, qui sont tous essentiels à un flux efficace d'électricité.
Charge électrique et courant
Les éléments conceptuels de base dans le monde de l'électricité sont le courant, la tension et la résistance. Avant d'explorer ceux-ci, il est nécessaire de regarder un peu plus loin, de revenir à l'idée d'électrons libres. Un électron par convention porte une charge négative d'une magnitude de 1,60 × 10-19 coulombs, ou C. Comme c'est le flux d'électrons qui détermine le courant, les charges d'un circuit s'éloignent de la borne négative et se dirigent vers la borne positive.
La « charge unitaire » en physique est normalisée comme positive et a la même amplitude que la chargeesur un électron. Une charge positive placée à proximité d'une borne positive subira une « répulsion » et « voudra » s'éloigner de la borne, d'autant plus fortement que la distance se rapproche de zéro. Dans cet état, la charge a un potentiel électrique plus élevé qu'à une certaine distance plus loin.
Ainsi, une "charge" ("positive" étant implicite sauf indication contraire) circule des zones de tension plus élevée vers les zones de tension plus faible. Il s'agit de la différence de potentiel ou de la tension mentionnée en physique, et son amplitude détermine en partie le flux de courant dans un circuit. Le courant électrique se présente sous forme de courant alternatif (un flux « nerveux », phasique) et de courant continu (flux uniforme); ce dernier est la norme moderne utilisée dans les réseaux électriques.
- Le débit de courant est mesuré à l'aide d'un appareil appelé unampèremètre. Le même appareil peut généralement être utilisé commevoltmètrepour mesurer la différence de potentiel.
La loi d'Ohm
La section précédente peut être en grande partie résumée par une loi mathématique simple appelée loi d'Ohm :
I=\frac{V}{R}
oùjeest en cours dansampères(C/s), V est la tension, ou la différence de potentiel, dansvolts(joules par C, ou J/C; noter le terme d'énergie au dénominateur) etRest la résistance dansohms (Ω).
Dans un circuit en série, les résistances de l'individurésistancessont additionnés pour calculer la résistance du circuit dans son ensemble. Dans les circuits parallèles, que vous lirez bientôt, la règle est :
\frac{1}{R_{tot}}=\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}+...+\frac{1}{R_n}
oùR1, R2et ainsi de suite sont les valeurs individuelles desmrésistances dans le circuit parallèle.
Définition d'un circuit
Un circuit est une boucle fermée à travers laquelle circule une charge électrique résultant d'une tension de commande. Le courant est le débit, mesuré comme la quantité de charge passant à un point donné du circuit par unité de temps.
Parfois, il est utile de considérer le courant dans un circuit filaire comme analogue à l'eau circulant dans les tuyaux. L'eau s'écoulera des régions à haut potentiel énergétique vers les régions à plus faible énergie potentielle. Certaines sources auraient alors besoin d'utiliser de l'énergie pour faire monter l'eau afin qu'elle s'écoule vers le bas. Afin d'avoir un débit d'eau continu, une fois que l'eau atteint le fond, elle doit être remontée vers le haut.Cette action de remonter l'eau vers le haut est essentiellement ce que fait une batterie ou une source d'alimentation dans un circuit électrique.
Le but d'un circuit est de faire quelque chose d'utile avec ce flux de charge. Tous les circuits comprennent une sorte d'élément résistif qui ralentit le flux de charge, tout comme un barrage ralentit le flux d'eau d'un réservoir. Si une ampoule est ajoutée à un circuit, par exemple, elle ralentit le flux de charge et transforme l'énergie associée en lumière.
Schémas de circuits et éléments de circuits
Il est souvent utile d'esquisser le schéma d'un circuit si l'on vous donne une combinaison deV, jeetRet demandé de résoudre la quantité inconnue. Pour ce faire, utilisez un ensemble de symboles pour simplifier l'esquisse.
•••Dana Chen | Sciences
Ces symboles sont ensuite reliés par des lignes droites pour créer un schéma de circuit.
•••Dana Chen | Sciences
Types de circuits
UNEcircuit en sériea des éléments connectés en série, ou l'un après l'autre sans la dérivation du fil. Le courant circulant dans tous les éléments connectés en série est le même, quel que soit le nombre de résistances rencontrées en cours de route.
UNEcircuit parallèlea des éléments connectés en parallèle - c'est-à-dire un point dans les branches du circuit, avec des fils allant à deux éléments différents, puis les branches se rejoignent à nouveau.La tension aux bornes de chaque élément connecté en parallèle est la même.
Uncircuit ouvertest celui dans lequel aucun courant ne peut circuler car la boucle est rompue à un moment donné. UNEcircuit ferméest celui dans lequel la boucle complète est formée et le courant peut circuler. De toute évidence, ce dernier a tendance à être plus intéressant à étudier.
UNEcourt-circuitest celui dans lequel les éléments résistifs sont contournés et le flux de courant est très élevé. Ceux-ci sont généralement indésirables, et des dispositifs appelés disjoncteurs sont installés dans les circuits pour « interrompre » (ouvrir) le circuit et arrêter le flux de courant pour se protéger contre les dommages au circuit et aux appareils électriques, et pour se protéger contre les feux.
Exemples de circuits électriques
1. Un circuit en série comprend une source d'alimentation de 9 V (une batterie, dans ce cas) et quatre résistances avec des valeurs de résistance de 1,5, 4,5, 2 et 1 Ω. Quel est le débit actuel ?
Tout d'abord, calculez la résistance totale. En rappelant la règle donnée dans une section précédente, c'est simplement 1,5 + 4,5 + 2 + 1 = 9 Ω. Ainsi, le flux de courant est
I=\frac{V}{R_{tot}}=\frac{9}{9}=1\text{ A}
2. Imaginez maintenant la même tension et quatre résistances, mais avec les résistances de 1,5 et 4,5 placées en parallèle et les autres disposées de la même manière qu'auparavant. Quel est le débit actuel ?
Cette fois, calculez la résistance dans la partie parallèle du circuit. Ceci est donné par 1/R = 1/1.5 + 1/4.5 = 8/9 = 0.89. N'oubliez pas de prendre l'inverse de ce numéro pour obtenirR!Ceci est donné par 1/0,89 = 1,13 Ω.
Vous pouvez maintenant traiter cette partie du circuit comme un seul élément résistif avec une résistance de 0,89, et tout le problème est résolu comme avec un circuit en série: Rtot = 1.125 + 2 + 1 = 4.13 Ω. Cela vous permet de résoudre à nouveau le courant :V/Rtot= 9 V/4,13 =2,18 A.
3. Enfin, en s'appuyant sur la configuration de l'exemple précédent, combinez les résistances 2-Ω et 1-Ω dans un circuit parallèle, ce qui donne deux ensembles de circuits parallèles qui sont eux-mêmes disposés en série. Quel est le flux actuel maintenant?
Résoudre la résistance du nouveau circuit parallèle: 1/R= 1/1 + 1/2 = 1,5; R = 2/3 = 0,67 Â. La résistance totale est donc de 1,13 + 0,67 = 1,79 Ω. Le courant dans le circuit remanié est donc de 9 V/1,79 Ω =5.03 A.
Ces exemples illustrent que la distribution de la résistance sur des résistances parallèles augmente la quantité de courant circulant en abaissant la résistance totale, car la tension ne change pas.