Les circuits électriques sont omniprésents dans notre vie de tous les jours. Des circuits intégrés complexes qui contrôlent l'appareil sur lequel vous lisez cet article au câblage qui vous permet de commuter un ampoule allumée et éteinte dans votre maison, votre vie entière serait radicalement différente si vous n'étiez pas entouré de circuits partout où vous va.
Mais la plupart des gens n'apprennent pas vraiment les détails du fonctionnement des circuits et les équations assez simples - comme La loi d'Ohm - qui explique les relations entre des concepts clés comme la résistance électrique, la tension et l'électricité actuel. Cependant, approfondir un peu la physique de l'électronique peut vous donner un aperçu beaucoup plus approfondi des règles fondamentales qui sous-tendent la technologie la plus moderne.
Qu'est-ce que la loi d'Ohm ?
La loi d'Ohm est l'une des équations les plus importantes pour comprendre les circuits électriques, mais si vous voulez la comprendre, vous aurez besoin d'une bonne compréhension des concepts de base qu'elle relie :
La tension est le terme le plus couramment utilisé pour désigner la différence de potentiel électrique entre deux points, et elle fournit la « poussée » qui permet à la charge électrique de se déplacer autour d'une boucle conductrice.
Le potentiel électrique est une forme d'énergie potentielle, comme l'énergie potentielle gravitationnelle, et il est défini comme l'énergie potentielle électrique par unité de charge. L'unité SI pour la tension est le volt (V), et 1 V = 1 J/C, ou un joule d'énergie par coulomb de charge. On l'appelle parfois aussiforce électromotriceou EMF.
Le courant électrique est le débit de charge électrique passant par un point donné dans un circuit, qui a l'unité SI de l'ampère (A), où 1 A = 1 C/s (un coulomb de charge par seconde). Il se présente sous la forme de courant continu (DC) et de courant alternatif (AC), et bien que le DC soit plus simple, les circuits AC sont utilisé pour fournir de l'électricité à la plupart des ménages dans le monde, car il est plus facile et plus sûr de transmettre sur une longue période distances.
Le dernier concept que vous devrez comprendre avant d'aborder la loi d'Ohm est la résistance, qui est une mesure de l'opposition au flux de courant dans un circuit. L'unité SI pour la résistance est l'ohm (qui utilise la lettre grecque oméga, ), où 1 = 1 V/A.
Équation de la loi d'Ohm
Le physicien allemand Georg Ohm a décrit la relation entre tension, courant et résistance dans son équation éponyme. La formule de la loi d'Ohm est :
V=IR
oùVest la tension ou la différence de potentiel,jeest la quantité de courant et de résistanceRest la quantité finale.
L'équation peut être réorganisée de manière simple pour produire une formule de calcul du courant basée sur la tension et la résistance, ou la résistance basée sur le courant et la tension. Si vous n'êtes pas à l'aise pour réorganiser des équations, vous pouvez rechercher un triangle de la loi d'Ohm (voir Ressources), mais c'est assez simple pour quiconque connaît les règles de base de l'algèbre.
Les points clés que montre l'équation de la loi d'Ohm sont que la tension est directement proportionnelle au courant électrique (donc plus le tension, plus le courant est élevé), et ce courant est inversement proportionnel à la résistance (donc plus la résistance est élevée, plus le actuel).
Vous pouvez utiliser l'analogie du débit d'eau pour vous souvenir des points clés, qui est basé sur un tuyau avec une extrémité au sommet d'une colline et une extrémité en bas. La tension est comme la hauteur de la colline (une colline plus raide et plus haute signifie plus de tension), le flux de courant est comme l'écoulement de l'eau (l'eau coule plus vite sur une colline plus raide) et la résistance est comme la friction entre les côtés du tuyau et l'eau (un tuyau plus fin crée plus de friction et réduit la vitesse de l'écoulement de l'eau, comme le fait une résistance plus élevée pour le courant électrique couler).
Pourquoi la loi d'Ohm est-elle importante ?
La loi d'Ohm est d'une importance vitale pour décrire les circuits électriques car elle relie la tension au courant, la valeur de résistance modérant la relation entre les deux. Pour cette raison, vous pouvez utiliser la loi d'Ohm pour contrôler la quantité de courant dans un circuit, en ajoutant des résistances pour réduire le flux de courant et en les supprimant pour augmenter la quantité de courant.
Il peut également être étendu pour décrire la puissance électrique (le taux de flux d'énergie par seconde), car la puissance P = IV, et vous pouvez donc l'utiliser pour vous assurer que votre circuit fournit suffisamment d'énergie pour, disons, un appareil de 60 watts.
Pour les étudiants en physique, le plus important dans la loi d'Ohm est qu'elle permet d'analyser des schémas de circuits, surtout lorsqu'on la combine avec les lois de Kirchhoff qui en découlent.
La loi de tension de Kirchhoff stipule que la chute de tension autour de toute boucle fermée dans un circuit est toujours égale à zéro, et le la loi actuelle stipule que la quantité de courant circulant dans une jonction ou un nœud dans un circuit est égale à la quantité qui en sort de celui-ci. Vous pouvez utiliser la loi d'Ohm avec la loi de tension en particulier pour calculer la chute de tension à travers n'importe quel composant d'un circuit, ce qui est un problème courant posé dans les cours d'électronique.
Exemples de loi d'Ohm
Vous pouvez utiliser la loi d'Ohm pour trouver n'importe quelle quantité inconnue des trois, à condition de connaître les deux autres quantités pour le circuit électrique en question. Travailler à travers quelques exemples de base vous montre comment cela est fait.
Tout d'abord, imaginez que vous ayez une batterie de 9 volts connectée à un circuit d'une résistance totale de 18 Ω. Combien de courant circule lorsque vous connectez le circuit? En réarrangeant la loi d'Ohm (ou en utilisant un triangle), vous pouvez trouver :
\begin{aligned} I &= \frac{V}{R} \\ &= \frac{9 \text{ V}}{18 \text{ Ω}} \\ &= 0.5 \text{ A} \end {aligné}
Donc 0,5 ampères de courant circulent autour du circuit. Imaginez maintenant qu'il s'agit de la quantité de courant parfaite pour un composant que vous souhaitez alimenter, mais que vous n'avez qu'une batterie de 12 V. Quelle résistance devez-vous ajouter pour vous assurer que le composant reçoit la quantité de courant optimale? Encore une fois, vous pouvez réorganiser la loi d'Ohm et la résoudre pour trouver la réponse :
\begin{aligned} R &= \frac{V}{I} \\ &= \frac{12 \text{ V}}{0.5 \text{ A}} \\ &= 24 \text{ Ω} \end {aligné}
Vous auriez donc besoin d'une résistance de 24 pour compléter votre circuit. Enfin, quelle est la chute de tension aux bornes d'une résistance de 5 Ω dans un circuit traversé par 2 A de courant? Cette fois, la forme standard V = IR de la loi fonctionne très bien :
\begin{aligned} V&=IR \\ &= 2 \text{ A} × 5 \text{ Ω} \\ &= 10 \text{ V} \end{aligned}
Résistances ohmiques et non ohmiques
Vous pouvez utiliser la loi d'Ohm dans un large éventail de situations, mais sa validité a des limites - ce n'est pas une loi vraiment fondamentale de la physique. La loi décrit une relation linéaire entre la tension et le courant, mais cette relation ne tient que si la résistance ou l'élément de circuit résistif avec lequel vous travaillez a une résistance constante sous différents TensionVet courantjevaleurs.
Les matériaux qui obéissent à cette règle sont appelés résistances ohmiques, et bien que la plupart des problèmes physiques impliquent des résistances ohmiques, vous serez familiarisé avec de nombreuses résistances non ohmiques de votre vie quotidienne.
Une ampoule est un parfait exemple de résistance non ohmique. Lorsque vous faites un graphique deVvs.jepour les résistances ohmiques, cela montre une relation complètement linéaire, mais si vous faites cela pour quelque chose comme une ampoule, la situation change. Lorsque le filament de l'ampoule chauffe, la résistance de l'ampouleaugmente, ce qui signifie que le graphique devient une courbe plutôt qu'une ligne droite, et la loi d'Ohm ne s'applique pas.