Georg Ohm a découvert que, à température constante, le courant électrique qui traverse une résistance linéaire fixe est directement proportionnel à la tension appliquée à ses bornes, et également inversement proportionnel à la résistance. Cette relation entre la tension, le courant et la résistance constitue la base de la loi d’Ohms et est illustrée ci-dessous.
Relation avec la loi d’Ohms
En connaissant deux valeurs quelconques des quantités Tension, Courant ou Résistance, nous pouvons utiliser la loi d’Ohms pour trouver la troisième valeur manquante. La loi d’Ohms est largement utilisée dans les formules et les calculs en électronique, il est donc « très important de comprendre et de se souvenir précisément de ces formules ».
Pour trouver la tension, ( V )
V (volts) = I (ampères) x R (Ω)
Pour trouver le courant, ( I )
I (ampères) = V (volts) ÷ R (Ω)
Pour trouver la résistance, ( R )
R (Ω) = V (volts) ÷ I (ampères)
Il est parfois plus facile de se souvenir de cette relation de la loi d’Ohms en utilisant des images. Ici, les trois quantités de V, I et R ont été superposées dans un triangle (affectueusement appelé le triangle de la loi d’Ohms) donnant la tension en haut avec le courant et la résistance en bas. Cette disposition représente la position réelle de chaque quantité dans les formules de la loi d’Ohms.
Triangle de la loi d’Ohms
Transposer l’équation standard de la loi d’Ohms ci-dessus nous donnera les combinaisons suivantes de la même équation :
En utilisant la loi d’Ohms, nous pouvons voir qu’une tension de 1V appliquée à une résistance de 1Ω fera circuler un courant de 1A et que plus la valeur de la résistance est grande, moins le courant circulera pour une tension appliquée donnée. Tout dispositif ou composant électrique qui obéit à la « loi d’Ohms », c’est-à-dire que le courant qui le traverse est proportionnel à la tension qui le traverse ( I α V ), comme les résistances ou les câbles, est dit de nature « ohmique », et les dispositifs qui ne le font pas, comme les transistors ou les diodes, sont dits « non ohmiques ».
Puissance électrique dans les circuits
La puissance électrique, ( P ) dans un circuit est le taux auquel l’énergie est absorbée ou produite dans un circuit. Une source d’énergie telle qu’une tension produira ou délivrera de la puissance tandis que la charge connectée l’absorbera. Les ampoules électriques et les appareils de chauffage, par exemple, absorbent l’énergie électrique et la convertissent en chaleur, en lumière ou les deux. Plus leur valeur ou leur indice en watts est élevé, plus ils sont susceptibles de consommer de l’énergie électrique.
Le symbole de quantité pour la puissance est P et est le produit de la tension multipliée par le courant, l’unité de mesure étant le Watt ( W ). Des préfixes sont utilisés pour désigner les différents multiples ou sous-multiples du watt, tels que : milliwatts (mW = 10-3W) ou kilowatts (kW = 103W).
En utilisant la loi d’Ohm et en substituant les valeurs de V, I et R, on peut trouver la formule de la puissance électrique comme suit :
Pour trouver la puissance (P)
P (watts) = V (volts) x I (ampères)
Aussi :
P (watts) = V2 (volts) ÷ R (Ω)
Also:
P (watts) = I2 (ampères) x R (Ω)
De nouveau, les trois quantités ont été superposées dans un triangle appelé cette fois Triangle de puissance avec la puissance en haut et le courant et la tension en bas. Encore une fois, cette disposition représente la position réelle de chaque quantité dans les formules de puissance de la loi d’Ohms.
Le triangle de puissance
et encore une fois, la transposition de l’équation de base de la loi d’Ohms ci-dessus pour la puissance nous donne les combinaisons suivantes de la même équation pour trouver les différentes quantités individuelles :
On voit donc qu’il existe trois formules possibles pour calculer la puissance électrique dans un circuit. Si la puissance calculée est positive, (+P) en valeur pour toute formule, le composant absorbe la puissance, c’est-à-dire qu’il consomme ou utilise de la puissance. Mais si la puissance calculée est négative, (-P) en valeur, le composant produit ou génère de la puissance, c’est-à-dire qu’il est une source d’énergie électrique comme les batteries et les générateurs.
Puissance nominale électrique
Les composants électriques reçoivent une « puissance nominale » en watts qui indique le taux maximal auquel le composant convertit l’énergie électrique en d’autres formes d’énergie comme la chaleur, la lumière ou le mouvement. Par exemple, une résistance de 1/4W, une ampoule de 100W, etc.
Les appareils électriques convertissent une forme d’énergie en une autre. Ainsi, par exemple, un moteur électrique va transformer l’énergie électrique en une force mécanique, tandis qu’un générateur électrique convertit la force mécanique en énergie électrique. Une ampoule électrique convertit l’énergie électrique à la fois en lumière et en chaleur.
De plus, nous savons maintenant que l’unité de puissance est le WATT, mais certains appareils électriques tels que les moteurs électriques ont une puissance nominale dans l’ancienne mesure du « cheval-vapeur » ou hp. La relation entre la puissance en chevaux et en watts est donnée par la formule suivante : 1hp = 746W. Donc, par exemple, un moteur de deux chevaux a une puissance nominale de 1492W, (2 x 746) ou 1,5kW.
Diagramme circulaire de la loi d’Ohm
Pour nous aider à comprendre la relation entre les différentes valeurs un peu plus loin, nous pouvons prendre toutes les équations de la loi d’Ohm de ce qui précède pour trouver la tension, le courant, la résistance et bien sûr la puissance et les condenser dans un simple diagramme circulaire de la loi d’Ohm à utiliser dans les circuits et les calculs en courant alternatif et continu comme indiqué.
Gramme circulaire de la loi d’Ohm
En plus d’utiliser le diagramme circulaire de la loi d’Ohm présenté ci-dessus, nous pouvons également mettre les équations individuelles de la loi d’Ohm dans un simple tableau matriciel comme indiqué pour une référence facile lors du calcul d’une valeur inconnue.
Tableau matriciel de la loi d’Ohm
La loi d’Ohm exemple n°1
Pour le circuit présenté ci-dessous, trouvez la tension (V), le courant (I), la résistance (R) et la puissance (P).
Tension = 2 x 12Ω = 24V
Courant = 24 ÷ 12Ω. = 2A
Résistance = 24 ÷ 2 = 12 Ω
Puissance = 24 x 2 = 48W
La puissance au sein d’un circuit électrique n’est présente que lorsque la tension ET le courant sont présents. Par exemple, dans une condition de circuit ouvert, la tension est présente mais il n’y a pas de flux de courant I = 0 (zéro), donc V*0 est 0, donc la puissance dissipée au sein du circuit doit également être 0. De même, si nous avons une condition de court-circuit, le flux de courant est présent mais il n’y a pas de tension V = 0, donc 0*I = 0, donc à nouveau la puissance dissipée au sein du circuit est 0.
Comme la puissance électrique est le produit de V*I, la puissance dissipée dans un circuit est la même que le circuit contienne une haute tension et un faible courant ou une faible tension et un flux de courant élevé. Généralement, la puissance électrique est dissipée sous forme de chaleur (appareils de chauffage), de travail mécanique comme les moteurs, d’énergie sous forme de rayonnement (lampes) ou sous forme d’énergie stockée (batteries).
Energie électrique dans les circuits
L’énergie électrique est la capacité à effectuer un travail, et l’unité de travail ou d’énergie est le joule ( J ). L’énergie électrique est le produit de la puissance multipliée par la durée de sa consommation. Ainsi, si nous connaissons la puissance, en watts, consommée et le temps, en secondes, pendant lequel elle est utilisée, nous pouvons trouver l’énergie totale utilisée en watts-secondes. En d’autres termes, énergie = puissance x temps et puissance = tension x courant. Par conséquent, la puissance électrique est liée à l’énergie et l’unité donnée pour l’énergie électrique est le watt-seconde ou le joule.
La puissance électrique peut également être définie comme le taux de par lequel l’énergie est transférée. Si un joule de travail est soit absorbé soit délivré à un rythme constant d’une seconde, alors la puissance correspondante sera équivalente à un watt ; la puissance peut donc être définie comme » 1Joule/sec = 1Watt « . Nous pouvons alors dire qu’un watt est égal à un joule par seconde et la puissance électrique peut être définie comme le taux de réalisation d’un travail ou le transfert d’énergie.
Triangle de la puissance électrique et de l’énergie
ou pour trouver les différentes quantités individuelles :
Nous avons dit précédemment que l’énergie électrique est définie comme étant des watts par seconde ou des joules. Bien que l’énergie électrique soit mesurée en joules, elle peut devenir une valeur très importante lorsqu’elle est utilisée pour calculer l’énergie consommée par un composant.
Par exemple, si une ampoule de 100 watts est laissée-« allumée » pendant 24 heures, l’énergie consommée sera de 8 640 000 Joules (100W x 86 400 secondes), on utilise donc à la place des préfixes tels que kilojoules (kJ = 103J) ou mégajoules (MJ = 106J) et dans cet exemple simple, l’énergie consommée sera de 8,64MJ (méga-joules).
Mais en traitant les joules, les kilojoules ou les mégajoules pour exprimer l’énergie électrique, les mathématiques impliquées peuvent aboutir à de gros chiffres et à beaucoup de zéros, il est donc beaucoup plus facile d’exprimer l’énergie électrique consommée en Kilowatt-heures.
Si la puissance électrique consommée (ou générée) est mesurée en watts ou en kilowatts (milliers de watts) et que le temps est mesuré en heures et non en secondes, alors l’unité d’énergie électrique sera le kilowattheure,(kWhr). Alors notre ampoule de 100 watts ci-dessus consommera 2 400 watts-heures ou 2,4kWhr, ce qui est beaucoup plus facile à comprendre que les 8 640 000 joules.
1 kWhr est la quantité d’électricité utilisée par un appareil de 1000 watts en une heure et est communément appelée « Unité d’électricité ». C’est ce qui est mesuré par le compteur électrique et c’est ce que nous, en tant que consommateurs, achetons à nos fournisseurs d’électricité lorsque nous recevons nos factures.
Les kilowattheures sont les unités standard d’énergie utilisées par le compteur électrique de nos maisons pour calculer la quantité d’énergie électrique que nous utilisons et donc le montant que nous payons. Ainsi, si vous allumez un feu électrique avec un élément chauffant de 1000 watts et que vous le laissez allumé pendant 1 heure, vous aurez consommé 1 kWh d’électricité. Si vous allumiez deux feux électriques avec chacun des éléments de 1000 watts pendant une demi-heure, la consommation totale serait exactement la même quantité d’électricité – 1kWhr.
Donc, consommer 1000 watts pendant une heure utilise la même quantité d’énergie que 2000 watts (deux fois plus) pendant une demi-heure (la moitié du temps). Ensuite, pour qu’une ampoule de 100 watts utilise 1 kWh ou une unité d’énergie électrique, il faudrait qu’elle soit allumée pendant un total de 10 heures (10 x 100 = 1000 = 1kWh).
Maintenant que nous savons quelle est la relation entre la tension, le courant et la résistance dans un circuit, dans le prochain tutoriel relatif aux Circuits DC, nous examinerons les Unités électriques standard utilisées en génie électrique et électronique pour nous permettre de calculer ces valeurs et nous verrons que chaque valeur peut être représentée par des multiples ou des sous-multiples de l’unité standard.
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