La loi d'Ohm et les circuits électriques
Comprendre l'électricité du quotidien : pourquoi une lampe s'allume et comment ne pas faire griller un fusible
§1.L'électricité, c'est quoi physiquement ?
L'électricité, c'est le mouvement ordonné d'électrons dans un conducteur (typiquement un fil métallique). Les électrons sont des particules chargées négativement présentes dans tous les atomes ; quand on applique une « tension » (différence de potentiel), elles se déplacent — c'est ce qu'on appelle le courant.
Comme l'eau dans un tuyau : la PRESSION pousse l'eau (= tension U), le DÉBIT mesure combien d'eau passe par seconde (= intensité I), et un rétrécissement freine le débit (= résistance R). Cette analogie hydraulique est très utile pour visualiser.
§2.La loi d'Ohm
La tension aux bornes d'une résistance est égale au produit de la résistance et de l'intensité.
Variables
- Tension (Voltage)— V (volt)0 à 24 V usuel
- Résistance— Ω (ohm)10 Ω à 1 MΩ
- Intensité du courant— A (ampère)mA à A usuels
- —Variantes équivalentes : I = U/R et R = U/I.
- —U fixe et R double → I est divisé par 2 (loi inverse).
- —Cette loi n'est valable QUE pour les conducteurs « ohmiques » (linéaires) — pas pour les diodes, ampoules, etc.
§3.Les 3 grandeurs fondamentales
- Tension U
- Différence de potentiel entre 2 points du circuit. C'est ce qui « pousse » les électrons. Se mesure avec un voltmètre EN PARALLÈLE.
- Exemple. Pile AA : U = 1.5 V. Prise domestique au Sénégal : U = 230 V alternatif (50 Hz). Pile de voiture : 12 V.
- Intensité I
- Quantité d'électrons qui passent en 1 seconde. Se mesure avec un ampèremètre EN SÉRIE.
- Exemple. LED basse conso : I ≈ 20 mA. Lampe halogène 100 W : I ≈ 0.4 A à 230 V. Démarreur de voiture : I jusqu'à 200 A !
- Résistance R
- Ce qui s'oppose au passage du courant. Plus c'est résistant, moins d'électrons passent à tension donnée.
- Exemple. Fil de cuivre : R négligeable (~0.01 Ω). Résistance de chauffage : 50 à 500 Ω. Isolant (caoutchouc) : R quasi infinie.
§4.Puissance dissipée (effet Joule)
La puissance électrique consommée — convertie en chaleur dans une résistance — peut s'écrire de 3 façons équivalentes selon ce qu'on connaît.
Variables
- Puissance dissipée— W (watt)
- —La forme R·I² est utile quand on connaît I et R (typique : un circuit où l'intensité est imposée).
- —La forme U²/R est utile quand on connaît U et R (typique : appareils branchés sur la prise).
- —Énergie consommée : E = P · t (en joules si t en s, en kWh si t en h).
§5.Les 2 lois de Kirchhoff
- Loi des nœuds (conservation de la charge)
- À chaque nœud (point de jonction) du circuit, la somme des intensités qui ENTRENT égale la somme de celles qui SORTENT.
- Exemple. Si I₁ et I₂ entrent dans un nœud et I₃ sort : I₁ + I₂ = I₃.
- Loi des mailles (conservation de l'énergie)
- Sur une boucle fermée, la somme des tensions est nulle. Ce qu'on gagne aux bornes de la pile, on le perd aux bornes des résistances.
- Exemple. Pile 12V avec R₁ et R₂ en série : U_pile = U(R₁) + U(R₂) = 12V.
§6.Associations série vs parallèle
| Caractéristique | SÉRIE (l'un après l'autre) | PARALLÈLE (côte à côte) |
|---|---|---|
| Résistance équivalente | R_eq = R₁ + R₂ | 1/R_eq = 1/R₁ + 1/R₂ |
| Intensité I dans chaque branche | I identique partout | Se répartit selon R |
| Tension aux bornes de chaque | Se partage (somme = U total) | U identique aux 2 |
| Si une branche tombe en panne | Tout le circuit coupé | Les autres branches fonctionnent |
Les guirlandes lumineuses bas de gamme sont en série (1 ampoule grillée = toute la guirlande éteinte). Les installations domestiques sont en parallèle (chaque appareil reçoit 230V).
À retenir
- Loi d'Ohm : U = R·I — la tension aux bornes d'une résistance est R fois l'intensité qui la traverse.
- Puissance dissipée : P = U·I = R·I² = U²/R (effet Joule, conversion en chaleur).
- En SÉRIE : I commun, U se partage, R_eq = R₁ + R₂.
- En PARALLÈLE : U commun, I se répartit, 1/R_eq = 1/R₁ + 1/R₂.
- Voltmètre en parallèle (R interne grande), ampèremètre en série (R interne petite).
- Loi des nœuds (Kirchhoff) : ΣI_entrée = ΣI_sortie. Loi des mailles : ΣU = 0 sur une boucle.