LOIS DE L’ÉLECTRICITÉ
Que vous procédiez à la mise en marche d’un moteur électrique ou à l’alimentation d’un système d’éclairage, le comportement du courant électrique reste le même. Ainsi, peu importe le type de circuit sur lequel vous travaillerez, l’électricité obéira toujours aux mêmes lois fondamentales.
Le comportement général de l’électricité repose sur une loi fondamentale appelée «loi d’Ohm», en l’honneur de son inventeur, le physicien allemand Georg Ohm. C’est en 1828 que ce dernier précisa la relation entre les trois principaux paramètres électriques, soit le courant, la tension et la résistance. De cette loi découlent deux autres lois fondamentales, la loi des boucles de Kirchhoff et celle des nœuds de Kirchhoff, nommées, elles aussi, d’après le nom de leur inventeur, Gustav Kirchhoff, un autre physicien allemand. Établies en 1845, ces lois décrivent le comportement du courant et de la tension dans les différentes parties des circuits électriques simples ou complexes. Enfin, vous découvrirez un quatrième paramètre essentiel en électricité : la puissance électrique. Grâce aux lois précédentes et à la formule de la puissance, vous serez en mesure d’analyser et d’estimer tous les paramètres électriques d’un circuit, quelle que soit sa configuration, et ainsi de vérifier son état.
Loi d’Ohm
La loi d’Ohm résume deux relations fondamentales que vous avez vues précédemment. D’une part, le courant qui traverse un composant est inversement proportionnel à la résistance de ce composant. D’autre part, il est directement proportionnel à la tension appliquée aux bornes du composant. La loi d’Ohm stipule que la tension (V) observée aux bornes d’une résistance est proportionnelle à la valeur de cette résistance (R) et à l’intensité du courant (I) qui la traverse.
Comme vous pouvez le constater, la formule de base de la loi d’Ohm mène à deux autres équations : la première montre qu’on détermine le courant (I) circulant dans une résistance en divisant la tension à ses bornes (V) par sa valeur en ohms (R); la deuxième montre qu’on détermine la résistance (R) d’un élément en divisant la tension à ses bornes (V) par le courant qui le traverse (I).
Grâce à cette loi, vous pourrez déterminer un des trois paramètres d’un élément en connaissant les deux autres et en effectuant un calcul simple. Si vous éprouvez des difficultés à manipuler les formules, observez le diagramme ci-contre : il présente un truc qui vous facilitera la tâche. Ce tableau montre un cercle qui vous permet de déterminer rapidement la relation entre les paramètres d’un circuit. Pour vous en servir, il suffit de masquer le paramètre recherché (l’inconnu) avec un doigt; les deux paramètres qui restent vous indiquent la formule à appliquer.
La loi d’Ohm s’applique à tous les types de circuits, qu’ils soient en série, en parallèle ou mixtes. Débutons par le circuit série.
Application de la loi d’Ohm sur un circuit série
Comme vous l’avez vu dans le chapitre précédent, le courant qui circule dans un circuit série est le même en tout point du circuit. Il n’y a qu’un seul parcours (chemin) possible pour lui. De plus, la résistance équivalente est égale à la somme de chacune des résistances qui forment le circuit. L’exemple proposé ci-dessous vous montre la marche à suivre pour appliquer la loi d’Ohm dans un circuit série.
Application de la loi d’Ohm à un circuit parallèle
La particularité des circuits en parallèle est que la tension aux bornes de tous leurs éléments est unique. Cette tension est égale à la tension de la source, à laquelle chacun des éléments se trouve directement connecté. Cela est très pratique, car il vous suffit de connaître la tension en un seul point du circuit parallèle. Souvenez-vous aussi que le calcul de la résistance équivalente (ou totale) est un peu plus long que le calcul de cette résistance dans les circuits série, mais qu’une utilisation adéquate de la calculatrice simplifie ce calcul. Enfin, n’oubliez pas que le courant dans une branche d’un circuit en parallèle peut être différent de celui dans les autres branches. L’exemple qui suit montre comment appliquer la loi d’Ohm dans un circuit en parallèle.
Application de la loi d’Ohm à un circuit mixte
Un circuit mixte comprend à la fois des branchements en série et des branchements en parallèle. Vous trouverez donc dans un tel circuit des courants de même intensité dans les portions en série et des tensions de même valeur dans les portions en parallèle. Pour résoudre des problèmes portant sur ce type de circuit, prenez le temps nécessaire pour examiner attentivement le circuit et reconnaître les interactions présentes entre chacun de ses éléments. L’exemple qui suit vous montre comment appliquer les lois d’Ohm et de Kirchhoff pour calculer les paramètres électriques dans un circuit mixte.
Puissance électrique
En plus du courant, de la tension et de la résistance, la puissance électrique est un autre paramètre essentiel en électricité. C’est le quatrième paramètre électrique que vous devez connaître. La puissance correspond à la quantité d’énergie pouvant être fournie ou consommée par un composant pendant un intervalle de temps déterminé. En d’autres termes, la puissance est un débit d’énergie. Le symbole pour représenter la puissance électrique est la lettre P et son unité de mesure est le watt (W).
Formule de la puissance
La puissance d’une résistance correspond à sa capacité de dissiper la chaleur. Ainsi, plus l’intensité du courant est élevée, plus la puissance de la résistance est grande et plus elle dégage de la chaleur. Souvenez-vous que c’est ce principe qui est mis à profit dans plusieurs applications courantes, comme les bouilloires et les plinthes chauffantes. Par exemple, une plinthe chauffante de 1,5 kW chauffe trois fois plus qu’une plinthe de 500 W. Comme le montre la loi d’Ohm, que vous venez d’apprendre, toute augmentation de tension aux bornes d’une résistance se traduit par une augmentation proportionnelle du courant traversant cette même résistance. On peut donc en déduire que la puissance électrique est directement proportionnelle à la tension électrique et à l’intensité du courant. C’est ce qu’énonce la formule de base de la puissance électrique:
P : Puissance consommée ou fournie par l’élément, exprimée en watts (W)
V : Tension aux bornes de l’élément, exprimée en volts (V)
I : Intensité du courant traversant l’élément, exprimée en ampères (A)
Cette formule permet de calculer la puissance fournie ou consommée par un élément électrique. Elle peut aussi être modifiée pour calculer une tension ou un courant. Un triangle semblable à celui de la loi d’Ohm permet de se souvenir facilement des formules. Il suffit de cacher le paramètre inconnu pour découvrir la formule à appliquer.
Grâce à la loi d’Ohm, il est également possible de calculer la puissance d’un élément en utilisant la valeur de sa résistance combinée à celle de la tension ou du courant. Pour ce faire, il suffit de remplacer la tension ou le courant dans la formule de la puissance par son équivalent dans la loi d’Ohm. Bien qu’il ne soit pas essentiel de les connaître par cœur, ces deux autres formules vous seront très utiles pour résoudre des problèmes plus rapidement.
Principe de conservation de la puissance
«Rien ne se perd, rien ne se crée !» Vous connaissez probablement cette expression courante. L’électricité ne fait pas exception à cette règle. Ainsi, selon le principe de conservation de la puissance, la puissance dissipée dans un circuit par les charges (les éléments qui consomment) doit être fournie par la source d’alimentation. En d’autres mots, la somme des puissances dissipées par les résistances (PR) du circuit est égale à la somme des puissances fournies par les sources de tension (PS). On peut exprimer ce principe en équation de la façon suivante :
Notez que ce principe de conservation de la puissance s’applique à tous les types de circuits, qu’ils soient en série, en parallèle ou mixtes. L’exemple qui suit vous montre comment l’utiliser pour calculer les puissances dans un circuit résistif en série.
Wattmètre
Un wattmètre est un appareil utilisé pour mesurer directement la puissance électrique consommée par une charge ou fournie par une source d’alimentation. Mesurant à la fois l’intensité du courant qui traverse le composant et la tension à ses bornes, le wattmètre présente l’avantage d’afficher directement le produit de ces deux valeurs, soit la puissance électrique consommée ou produite par le composant. Dans les schémas de circuits, on le représente par le symbole normalisé.
Ainsi que son symbole le montre, cet appareil possède quatre bornes : les deux bornes utilisées pour mesurer la tension sont branchées en parallèle avec le composant dont on mesure la puissance consommée ou produite, comme on le fait avec le voltmètre ; les deux bornes utilisées pour mesurer l’intensité sont branchées en série avec le composant, comme dans le cas de l’ampèremètre. On peut donc considérer que le wattmètre est une combinaison d’un ampèremètre et d’un voltmètre. Pour le brancher correctement et en toute sécurité, vous devrez respecter les procédures applicables à chacune de ces fonctions.
Si vous utilisez un appareil analogique (à aiguille), notez que c’est le sens du courant ou de la tension qui provoque le déplacement de l’aiguille. Vous devez donc connecter votre wattmètre de façon que le courant entre par le fil rouge de l’appareil (borne positive) et en ressorte par le fil noir (borne négative). Attention : si vous ne respectez pas la polarité du wattmétrique, l’aiguille déviera vers la gauche et votre appareil risque d’être endommagé.
Notez que la puissance d’une charge décrit sa consommation d’énergie par unité de temps, c’est-à-dire le débit d’énergie utilisé par la charge pour produire de la chaleur, de la lumière ou un travail. L’énergie totale consommée pendant un intervalle de temps donné est habituellement exprimée en wattheures (Wh) ou en kilowattheures (kWh).
Résumé
Les deux formules les plus importantes en électricité sont la loi d’Ohm (V = R x I) et la formule de la puissance (P = V x I). Le cercle illustré ci-dessous résume les équations qui découlent de ces deux formules. Celles-ci vous permettront de calculer l’un ou l’autre des quatre paramètres électriques essentiels, soit l’intensité du courant, I, la tension, V, la résistance, R, et la puissance, P. Le tableau qui suit résume ensuite le comportement de ces quatre paramètres électriques essentiels dans les circuits en série et en parallèle.
