Si vous débutez en physique de l'électricité, des termes commeTensionetamplispeut presque sembler interchangeable en fonction de la façon dont ils sont utilisés. Mais en réalité, ce sont des quantités très différentes, bien qu'elles soient étroitement liées par la façon dont elles fonctionnent ensemble dans un circuit électrique, comme décrit par la loi d'Ohm.
En réalité, les "ampères" sont une mesure du courant électrique (qui est mesuré enampères), et la tension est un terme qui signifie potentiel électrique (mesuré envolts), mais à moins que vous n'ayez appris les détails, il est compréhensible que vous puissiez confondre les deux.
Pour comprendre la différence - et ne plus jamais les confondre - vous avez juste besoin d'une introduction de base sur ce qu'ils signifient et comment ils se rapportent à un circuit électrique.
Qu'est-ce que la tension ?
La tension est un autre terme pour la différence de potentiel électrique entre deux points, et elle peut être simplement définie comme l'énergie potentielle électrique par unité de charge.
Tout comme le potentiel gravitationnel est l'énergie potentielle qu'un objet possède en raison de sa position dans un champ gravitationnel, le potentiel électrique est l'énergie potentielle qu'un objet chargé a en raison de sa position dans un champ électrique. La tension décrit spécifiquement cela par unité de charge électrique, et peut donc s'écrire :
V=\frac{E_{el}}{q}
OùVest la tension,Eel est l'énergie potentielle électrique etqest la charge électrique. Puisque l'unité d'énergie potentielle électrique est le joule (J) et l'unité de charge électrique est le coulomb (C), l'unité de tension est le volt (V), où 1 V = 1 J/C, ou en mots, un volt est égal à un joule par Coulomb.
Cela vous indique que si vous laissez passer une charge de 1 coulomb à travers une différence de potentiel (c'est-à-dire une tension) de 1 V, elle gagner 1 J d'énergie, ou inversement, il faudra un joule d'énergie pour déplacer un coulomb de charge à travers une différence de potentiel de 1 V. La tension est aussi parfois appeléeforce électromotrice(EMF).
La différence de tension (ou différence de potentiel) entre deux points, comme de part et d'autre d'un élément dans un circuit électrique, peut être mesuré en connectant un voltmètre en parallèle avec l'élément qui vous intéresse dans. Comme son nom l'indique, un voltmètre mesure la tension entre deux points du circuit, mais lorsque vous en utilisez un, il doit être connectéen parallèlepour éviter toute interférence avec la lecture de la tension ou endommager l'appareil.
Qu'est-ce que le courant ?
Le courant électrique, qui est parfois appelé ampérage (puisqu'il a l'unité de l'ampère), est le débit de la charge électrique passant par un point dans un circuit. La charge électrique est transportée par les électrons, les particules chargées négativement qui entourent le noyau d'un atome, donc la quantité de courant vous indique vraiment le débit d'électrons. Une définition mathématique simple du courant électrique est :
I=\frac{q}{t}
Oùjeest le courant (en ampères),qest la charge électrique (en coulombs) ettest le temps écoulé (en secondes). Comme le montre cette équation, la définition d'un ampère (A) est 1 A = 1 C/s, soit un flux d'une charge électrique de 1 coulomb par seconde. En termes d'électrons, cela fait environ 6,2 × 1018 électrons (environ six milliards de milliards) passant au-delà du point de référence par seconde pour un flux de courant de seulement 1 A.
Le courant peut être mesuré dans un circuit électrique en connectant un ampèremètre en série - c'est-à-dire dans le chemin du courant principal - avec la section du circuit que vous souhaitez mesurer la quantité de courant à travers.
Débit d'eau: une analogie
Si vous avez encore du mal à comprendre les rôles que jouent la différence de tension et le courant électrique dans un circuit électrique, une analogie largement utilisée entre l'électricité et l'eau devrait aider à clarifier choses. Deux scénarios différents peuvent être utilisés pour représenter la tension dans un circuit électrique: soit une conduite d'eau descendant une colline, soit un réservoir d'eau rempli d'un bec de sortie en bas.
Pour la conduite d'eau avec une extrémité au sommet d'une colline et l'autre extrémité en bas, votre intuition devrait vous dire que l'eau coulerait à travers elle plus rapidement si la colline était plus haute et plus lentement si elle était plus basse. Pour l'exemple du réservoir d'eau, s'il y avait deux réservoirs d'eau remplis à des niveaux différents, vous vous attendriez à le réservoir le plus rempli pour libérer l'eau de la sortie à un rythme plus rapide que celui rempli à un niveau inférieur niveau.
Que ce soit le potentiel de la hauteur de la colline (en raison du potentiel gravitationnel) ou le potentiel créé par la pression de l'eau dans le réservoir, ces deux exemples transmettent un fait clé sur la tension différences. Plus le potentiel est grand, plus l'eau (c'est-à-dire le courant) s'écoulera rapidement.
L'écoulement de l'eau lui-même est analogue au courant électrique. Si vous avez mesuré le débit d'eau passant par un seul point du tuyau par seconde, c'est comme le flux de courant dans un circuit, sauf avec de l'eau à la place de la charge électrique sous forme d'électrons. Donc, si tout le reste est égal, une tension élevée conduit à un courant élevé, et vice versa. La dernière partie de l'image est la résistance, qui est analogue au frottement entre les murs de le tuyau et l'eau, ou une obstruction physique placée dans le tuyau bloquant partiellement l'eau couler.
Similitudes et différences
\def\arraystretch{1.5} \begin{array}{c: c} \text{Similarités} & \text{Différences} \\ \hline\hline \text{Les deux concernent des circuits électriques} & \text{Différentes unités, la tension est mesuré en volts, où 1 V = 1 J/C} \\ & \text{tandis que le courant est mesuré en ampères, où 1 A = 1 C/s} \\ \hline \text{Les deux affectent la quantité de puissance dissipée à travers un circuit element} & \text{Le courant est distribué de manière égale dans tous les composants lorsqu'ils sont en série}\\ & \text{alors que la chute de tension entre les composants peut différer}\\ \hline \text{Peut être les deux en alternance polarité (par exemple alternative} & \text{La chute de tension est égale sur tous } \\ \text{courant ou tension alternative) ou polarité directe } & \text{composants connectés en parallèle, tandis que le courant diffère} \\ \hline \text{Ils sont directement proportionnels l'un à l'autre selon la loi d'Ohm} & \text{La tension produit un champ électrique tandis que le courant produit un champ magnétique field} \\ \hline & \text{La tension provoque le courant, tandis que le courant est l'effet de la tension} \\ \hline & \text{Le courant ne circule que lorsque le circuit est complet, mais les différences de tension reste} \end{tableau}
Comme le montre le tableau, le courant et la tension électriques présentent plus de différences que de similitudes, mais il existe également des similitudes. La plus grande différence entre les deux est le fait qu'ils décrivent des quantités entièrement différentes, donc une fois que vous avez compris les bases de chacun, il est peu probable que vous les confondiez avec un une autre.
Relation entre la tension et le courant
La différence de tension et le courant électrique sont directement proportionnels l'un à l'autre conformément à la loi d'Ohm, l'une des équations les plus importantes de la physique des circuits électriques. L'équation concerne la tension (c'est-à-dire la différence de potentiel créée par la batterie ou une autre source d'alimentation) au courant dans le circuit et à la résistance au passage du courant créé par les composants du circuit.
La loi d'Ohm dit :
V = IR
OùVest la tension,jeest le courant électrique etRest la résistance (mesurée en ohms, ). Pour cette raison, la loi d'Ohm est parfois appelée équation de tension, de courant et de résistance. Si vous connaissez deux quantités dans cette équation, vous pouvez réarranger l'équation pour trouver l'autre quantité, ce qui le rend utile pour résoudre la plupart des problèmes électroniques que vous rencontrerez en physique classer.
Il convient de noter que la loi d'Ohm n'est pastoujoursvalide, et en tant que tel ce n'est pas une « vraie » loi de la physique, mais une approximation utile pour ce qu'on appelleohmiquematériaux. La relation linéaire qu'elle implique entre le courant et la tension ne vaut pas pour des choses comme un filament bulbe, où l'augmentation de la température provoque une augmentation de la résistance et impacte ainsi le linéaire relation. Cependant, dans la plupart des cas (et certainement la plupart des problèmes de physique qui vous seront posés concernant la tension et le courant électrique), il peut être utilisé sans problème.
La loi d'Ohm pour le pouvoir
La loi d'Ohm est principalement utilisée pour relier la tension au courant et à la résistance; cependant, il existe une extension de la loi qui vous permet d'utiliser les mêmes quantités pour calculer la puissance électrique dissipée dans un circuit, où la puissancePest le taux de transfert d'énergie en watts (où 1 W = 1 J/s). La forme la plus simple de cette équation est :
P=IV
Donc, en termes simples, la puissance est égale au courant multiplié par la tension. Par conséquent, il s'agit d'un domaine clé dans lequel la différence de tension et le courant électrique sont similaires: ils partagent tous deux une relation directement proportionnelle avec la puissance dissipée dans un circuit. Si vous ne connaissez pas le courant, vous pouvez utiliser un réarrangement de la loi d'Ohm (I = V / R) pour exprimer la puissance sous la forme :
\begin{aligned} P&=\frac{V}{R}× V \\ &= \frac{V^2}{R} \end{aligned}
Ou en utilisant la forme standard de la loi d'Ohm, vous pouvez remplacer la tension et écrire :
P=I^2R
En réorganisant ces équations, vous pouvez également exprimer la tension, la résistance ou le courant en termes de puissance et d'une autre quantité.
Lois de tension et de courant de Kirchhoff
Les lois de Kirchhoff sont deux des autres lois les plus importantes pour les circuits électriques, et elles sont particulièrement utiles lorsque vous analysez un circuit avec plusieurs composants.
La première loi de Kirchhoff est parfois appelée loi du courant, car elle stipule que le courant total circulant dans une jonction est égal au courant qui en sort - essentiellement cette charge est conservé.
La deuxième loi de Kirchhoff s'appelle la loi de tension, et elle stipule que pour toute boucle fermée dans un circuit, la somme de toutes les tensions doit être égale à zéro. Pour la loi de tension, vous traitez la batterie comme une tension positive et traitez les chutes de tension à travers n'importe quel composant comme une tension négative.
En combinaison avec la loi d'Ohm, ces deux lois peuvent être utilisées pour résoudre essentiellement tout problème que vous êtes susceptible de rencontrer concernant des circuits électriques.
Tension et courant: exemples de calculs
Imaginez que vous ayez un circuit impliquant une batterie de 12 V et deux résistances, connectées en série, avec des résistances de 30 et 15. La résistance totale du circuit est donnée par la somme de ces deux résistances, donc 30 + 15 = 45. Notez que lorsque les résistances sont disposées en parallèle, la relation implique des réciproques, mais ce n'est pas important pour comprendre la relation entre la différence de tension et le courant, donc cet exemple simple suffira pour le présent fins.
Quel est le courant électrique circulant dans le circuit? Essayez d'appliquer vous-même la loi d'Ohm avant de poursuivre votre lecture.
La forme suivante de la loi d'Ohm :
I=\frac{V}{R}
Permet de calculer :
\begin{aligned} I&=\frac{12 \text{ V}}{45 \text{ Ω}} \\ &=0.27 \text{ A} \end{aligned}
Maintenant, connaissant le courant dans le circuit, quelle est la chute de tension aux bornes de la résistance de 15 Ω? La loi d'Ohm sous sa forme standard peut être utilisée pour répondre à cette question. Insertion des valeurs deje= 0,27 A etR= 15 donne :
\begin{aligned} V &= IR \\ &= 0.27 \text{ A} × 15 \text{ Ω} \\ &= 4.05 \text{ V} \end{aligned}
Aux fins de l'utilisation des lois de Kirchhoff, ce sera une tension négative (c'est-à-dire une chute de tension). Comme exercice final, pouvez-vous montrer que la tension totale autour de la boucle fermée sera égale à zéro? N'oubliez pas que la batterie a une tension positive et que toutes les chutes de tension sont négatives.