Science et technologie s1159

Les variables électriques et leurs symboles

Dans un circuit électrique, on dit que les charges se déplacent ce qui crée un courant électrique, c'est-à-dire un déplacement des charges négatives portées par les électrons.

Intensité du courant

L'intensité du courant, ou ampérage, correspond à la quantité de charges qui circulent à un point précis du circuit électrique à chaque seconde.

L'intensité du courant permet de mesurer la vitesse à laquelle les électrons circulent à un endroit précis du circuit électrique.

La formule suivante permet de déterminer l'intensité du courant dans un circuit électrique.
|\displaystyle I=\frac{q}{\triangle t}|

|I| représente l'intensité du courant |\small \text {(A)}|
|q| représente la quantité de charges |\small \text {(C)}|
|{\triangle t}| représente l'intervalle de temps |\small \text {(s)}|

L'intensité du courant est mesurée avec un ampèremètre.

Quelle est l'intensité du courant dans un circuit si |\small \text {1 600 C}| se sont déplacés pendant |\small \text {40 s}|?
||\begin{align} q &= \text{1 600 C} &\triangle t &= \text {40 s} \end{align}||
||\begin{align} I=\displaystyle \frac{q}{\triangle t} \quad \Rightarrow \quad
I&=\displaystyle \frac{\text {1 600 C}}{\text {40 s}}\\
 &= \text {40 A}
\end{align}||
L'intensité du courant dans ce circuit est |\text {40 A}|.

On mesure l'intensité en ampère |\small \text {(A)}|, unité qui représente la quantité de charges en fonction du temps. Un ampère représente donc le déplacement d'un coulomb à chaque seconde dans un circuit électrique.
||\displaystyle \text {1 A}=\frac{\text {1 C}}{\text {1 s}}||

Tension

La tension, ou différence de potentiel ou voltage, correspond à la quantité d'énergie transférée entre deux points d'un circuit électrique.Lorsque les charges électriques se déplacent dans un circuit électrique, elles transfèrent leur énergie aux différentes composantes du circuit (résistance, source lumineuse, etc.). En mesurant la tension, c'est cette quantité d'énergie transférée qui est déterminée.
|U=\displaystyle \frac{E}{q}|

|U| représente la tension |\small \text {(V)}|
|E| représente l'énergie transférée |\small \text {(J)}|
|q| représente la quantité de charge |\small \text {(C)}|

La tension est mesurée à l'aide d'un voltmètre.

Quelle est la tension dans un circuit si l'énergie transmise par |\small \text {200 C}| est de |\small \text {200 000 J}| ?
||\begin{align} q &= \text{200 C} &E &= \text {200 000 J}
\end{align}||
||\begin{align} U=\displaystyle \frac{E}{q} \quad \Rightarrow \quad
U&=\displaystyle \frac{\text {200 000 J}}{\text {200 C}}\\
 &= \text {1 000 V}
\end{align}||
La tension dans le circuit électrique est |\text {1 000 V}|.

On mesure la tension en volts |\small \text {(V)}|, unité qui représente la quantité d'énergie en fonction de la quantité de charges.

||\text {1 V}=\displaystyle \frac{\text {1 J}}{\text {1 C}}||

Résistance électrique

La résistance électrique est la capacité d'un matériau à s'opposer au passage du courant électrique.

Dans un circuit électrique, la résistance permet de convertir l'énergie électrique en une autre forme d'énergie. Par exemple, les résistances d'un grille-pain permettent de convertir l'énergie électrique en énergie thermique. Plus une résistance est grande, plus elle bloque le passage le courant électrique et plus la transformation d'énergie sera grande.

La résistance électrique est mesurée à l'aide d'un multimètre.

On mesure la résistance en ohms |\small (\Omega)|, unité qui correspond au rapport entre la tension et l'intensité.
||\displaystyle 1 \: \Omega=\frac{\text {1 V}}{\text {1 A}}||

La loi d'Ohm permet de calculer la valeur de la résistance dans un circuit électrique.

Facteurs qui influencent la résistance d'une substance

Il existe quatre facteurs pouvant influencer la résistance d'une substance à permettre le passage du courant électrique.

L’influence de la longueur

Dans un circuit électrique, plus un fil est long, plus sa résistance est grande.Lorsqu'on utilise un boyau d'arrosage pour ajouter de l'eau dans un jardin, la pression de l'eau à la sortie du boyau sera beaucoup plus élevée si le boyau est court, car l'eau n'aura pas à circuler à travers un boyau et à entrer en collision avec les parois du boyau. De plus, un boyau court permet d'être plus près de la source (le robinet), ce qui peut limiter les fuites.

Il en est de même pour un circuit électrique. Un fil électrique plus court diminue la résistance, car les collisions entre les électrons et les atomes du conducteurs sont limitées. En fait, la résistance d’un fil est directement proportionnelle à sa longueur.

L’influence de la grosseur

Dans un circuit électrique, plus le diamètre du fil est petit, plus la résistance est grande.Lorsque vient le temps d'éteindre un feu, il est préférable d'avoir un boyau d'un camion de pompier plutôt qu'un boyau d'arrosage résidentiel, car une plus grande quantité d'eau sortira du boyau des pompiers. Le principe est le même pour les circuits électriques: un fil plus gros permettra le passage d'une plus grande quantité de charges électriques. En fait, la résistance d’un fil est inversement proportionnelle à l’aire de sa section, c’est-à-dire au carré de son diamètre (si le fil est cylindrique).

La grosseur d'un fil électrique est déterminée par une valeur numérique qui représente le diamètre d'un fil. Le numéro du fil électrique représente le nombre d'opérations nécessaire pour produire un câble de diamètre donné. Par exemple, un fil électrique #14 a été réduit par des machines 14 fois, alors qu'un fil électrique #22 a été réduit 22 fois. Ce dernier a donc un diamètre plus petit. Il est donc possible de déduire qu'un fil électrique #14 permettra un plus grand passage du courant électrique qu'un fil électrique #22, puisque son diamètre est plus grand.

L’influence de la nature du matériau

Dans un circuit électrique, les métaux permettent un meilleur passage du courant électrique que les métalloïdes ou les non-métaux.

Certains métaux (argent, cuivre, or, aluminium) sont de meilleurs conducteurs que d’autres (fer, plomb). Toutefois, les métaux sont, dans l'ensemble, de meilleurs conducteurs que les métalloïdes ou les non-métaux.

L’influence de la température

Dans un circuit électrique, plus la température du fil est élevée, plus la résistance du fil sera grande.

Dans une substance ayant une température élevée, les atomes formant la substance bougent rapidement. Les électrons qui cherchent à se déplacer dans le circuit électrique ont donc une plus grande chance d'entrer en collision avec les atomes.

Dans une substance ayant une température basse, les atomes formant la substance bougent peu. Il est donc beaucoup plus simple pour les électrons qui cherchent à se déplacer de passer dans la substance, ce qui facilite le passage du courant électrique et, par le fait même, diminue la résistance électrique.

Conductance

La conductance dans un circuit électrique est la capacité à laisser passer le courant électrique. La conductance est l’inverse de la résistance.La conductance est mesurée en siemens |\small (\text{S})|.
|R=\displaystyle \frac{1}{G}|
ou
|G=\displaystyle \frac{1}{R}|

|R| représente la résistance |\small (\Omega)|
|G| représente la conductance |\small (\text{S})|

Un résistor a une valeur de |\small 40 \: \Omega|. Quelle est la conductance?
||\begin{align}G=\displaystyle \frac{1}{R}\quad \Rightarrow \quad G &= \frac{1}{40 \: \Omega} \\ &= \text {0,025 S} \end{align}||
La conductance de ce résistor est |\text {0,025 S}|.

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