A La définition du courant électrique








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titreA La définition du courant électrique
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Lois fondamentales - Cours - /



. LE REGIME CONTINU


. I Le courant électrique
. a La définition du courant électrique

Le courant électrique est le résultat d’un déplacement d’électrons libres dans un conducteur électrique.
Un électron est porteur d’une charge négative qe = - 1,6.10-19 C
L’intensité du courant électrique représente le débit constant de charges électriques dans le conducteur, donc le nombre d’électrons traversant une section de conducteur par unité de temps.

I L’intensité du courant électrique en ampères [A]

Q La quantité d’électricité traversant la section en coulombs [C]

t Le temps pendant lequel les charges circulent en secondes [s]



I =

Ou


I L’intensité du courant électrique en ampères [A]

N Le nombre d’électrons circulant dans le conducteur

qe La charge portée par un électron en coulombs [C]

t Le temps pendant lequel les électrons circulent en secondes [s]






I =


. b Le sens du courant électrique
Le sens du courant électrique est l’opposé de celui des électrons, dans un circuit électrique fermé ne comportant qu’un générateur, il sort par la borne positive pour revenir sur l’alimentation par la borne négative, il est représenté par une flèche placée directement sur le conducteur. Soit un conducteur (l), traversé par un courant continu I

Conducteur (l)


I


Dans certain cas, nous ne pouvons définir avec certitude le sens du courant. Cela peut se produire lorsqu’il y a plusieurs générateurs ou lorsque le circuit n’est pas complètement défini.
Nous donnons alors un sens arbitraire au fléchage du courant, et par calculs nous l’évaluons de façon plus précise.


  • Si l’intensité est positive, le sens réel du courant est celui qu’indique par la flèche.

  • Si l’intensité est négative, le sens réel du courant est l’opposé de celui que donne la flèche.


. c La mesure du courant électrique
L’intensité du courant électrique se mesure à l’aide d’un ampèremètre placé en série dans le circuit électrique, il doit être traversé par le courant dont il fait la mesure.



L’ampèremètre est un appareil numérique sur la position « DC » ou « continu »
. d L’unité de l’intensité du courant électrique
L’intensité du courant électrique s’exprime en ampères [A], si l’intensité est très faible, elle peut être donnée en milliampères (1 mA = 10-3 A) ou en microampères (1 A = 10-6 A).
. e La loi des noeuds
Un nœud est un point particulier d’un circuit électrique d’où partent plusieurs conducteurs, il devient intéressant lorsque le nombre des conducteurs est supérieur à deux, ainsi
La somme des intensités des courants entrant dans un nœud est égale à la somme des intensités des courants qui en sortent.

I1

I4

A

I3


I2


Au nœud A :
Les courants entrant : I2 et I3

Les courants sortant : I1 et I4
La loi des nœuds exprime la relation entre ces courant :
I1 + I4 = I2 + I3

. II La tension électrique
. a Les potentiels électriques

Chaque point d’un circuit se caractérise par son état électrique, c'est-à-dire sa charge soit positive soit négative par rapport à un état de référence. Cet état se nomme le potentiel électrique, il est noté V et s’exprime en volts [V].
Entre deux points A et B d’un circuit, les potentiels VA et VB peuvent prendre des valeurs différentes, en calculant la différence entre ces deux grandeurs, nous parlons de différence de potentiels.
. b Définition de la tension électrique
La tension électrique entre deux points quelconques d’un circuit correspond à la différence de potentiels entre ces deux points

UAB La tension électrique entre les points A et B en volts [V]

VA Le potentiel électrique au point A en volts [V]

VB Le potentiel électrique au point B en volts [V]



UAB = VA - VB

. c Représentation de la tension électrique
Sur un schéma électrique la tension électrique est représentée par une flèche, la tension est positive si :


  • La pointe de la flèche désigne le potentiel le plus élevé

  • L’autre bout de la flèche indique le potentiel le moins élevé


La tension est négative dans le cas contraire.


VA

VB



UAB


La tension électrique UAB est la différence de potentiels VA et VB entre les points A et B.
. d La mesure de la tension électrique
La valeur de la tension électrique entre deux points d’un circuit se mesure à l’aide d’un voltmètre placé en parallèle sur le circuit électrique, il doit être relié aux deux points dont on veut évaluer la différence de potentiels.





V


UAB = VA - VB


Le voltmètre est un appareil numérique sur la position « DC » ou « continu »
. e L’unité de la tension électrique
La tension électrique s’exprime en volts, si la tension est très faible, elle peut être donnée en millivolts (1 mV = 10-3 V) ou en microvolts (1 V = 10-6 V), mais si cette dernière est très élevée elle s’exprime en kilovolts (1 kV = 103 V) ou en méga volts (1 MV = 106 V)
. f La loi des mailles
Une maille est un circuit électrique refermé sur lui-même, ce contour peut être unique ou bien être intégré dans un circuit électrique plus complexe.
La loi des mailles ou lois d’additivité des tensions électriques permet de donner une relation entre plusieurs tensions à l’intérieur d’un même circuit électrique.
La somme de toutes les tensions électrique sur un circuit fermé est nulle.
Après s’être fixé un sens de parcours pour la maille choisie, une tension est comptée 


  • Positive, si la flèche la représentant est dans le même sens que le sens du parcours.

  • Négative, si la flèche la représentant est dans le sens opposé de celui du parcours.



Sur la maille ABCD, avec le sens donné :
U1 - U2 + U3 - U4 = O V

Ou

U1 + U3 = U2 + U4
. III La loi d’Ohm
. a Un dipôle résistif

Un dipôle résistif est un dipôle passif. L'énergie qu'il absorbe est entièrement consommée par effet Joule, donc dissipée sous forme de chaleur.

Un dipôle résistif est représenté par un rectangle.
Lorsqu’un dipôle résistif est traversé par un courant d’intensité I, une tension électrique U apparaît à ses bornes. En donnant plusieurs valeurs à l’intensité I nous constatons que la tension prend des valeurs proportionnelles à celles de l’intensité. Ce coefficient de proportionnalité est appelé la résistance de ce dipôle résistif, elle est notée R, s’exprime en ohms [.
. b La résistance d’un fil conducteur
La résistance d’un fil conducteur dépend de la nature du conducteur et de ses dimensions, elle se calcule à partir de la relation


R La valeur de la résistance du conducteur en ohms []

 La valeur de la résistivité du conducteur en ohms.mètres [.m]

l La longueur du conducteur en mètres [m]

s La section du conducteur en mètres² [m²]


R =


. c La loi d’Ohm
La représentation de la tension électrique U qui apparaît aux bornes d’un élément résistif traversé par un courant d’intensité I est donnée ci-après


U


I





La tension U s’exprime en fonction de l’intensité I du courant par la loi d’Ohm

U La tension électrique aux bornes du dipôle résistif en volts [V]

R La valeur de la résistance en ohms []

I L’intensité du courant électrique en ampères [A]



U = R.I


Les sens de la tension U et du courant I sont impérativement respectées, dans le cas contraire, la loi d’Ohm s’exprime par la relation U = - R.I
Pour simplifier les écritures, la valeur de la résistance R symbolise l’élément résistif.

. d L’association d’éléments résistifs en série
Lorsque plusieurs dipôles résistifs sont disposés en série, ils sont traversés par un même courant. Ils peuvent être remplacés, pour rendre les calculs plus abordables par une résistance unique, appelée résistance équivalente.

A


B

I


R1 R2 R3


A

B

I


Req
La résistance équivalente se calcule par la relation

Req La valeur de la résistance équivalente en ohms []

R1 La valeur d’une des résistances en série en ohms []

R2 La valeur d’une des résistances en série en ohms []

R3 La valeur d’une des résistances en série en ohms []



Req = R1 + R2 + R3

. e L’association d’éléments résistifs en dérivation
Lorsque plusieurs dipôles résistifs sont disposés en parallèle, ils sont soumis à une même tension. Ils peuvent être remplacés, pour rendre les calculs plus abordables par une résistance unique, appelée résistance équivalente.





La résistance équivalente se calcule par la relation


Req La valeur de la résistance équivalente en ohms []

R1 La valeur d’une des résistances en parallèle en ohms []

R2 La valeur d’une des résistances en parallèle en ohms []

R3 La valeur d’une des résistances en parallèle en ohms []





. IV La puissance électrique
. a La convention récepteur
Lorsque la flèche indiquant le sens du courant qui traverse un dipôle est dans le sens contraire de celle qui indique la tension aux bornes de ce dipôle, ce dernier est fléché sous la convention « récepteur ».

U


I





Dipôle sous convention « récepteur »
Ce dipôle est supposé fonctionner en récepteur, la puissance active qu’il consomme est de la forme :

P La puissance électrique consommée par le dipôle en watts [W]

U La tension électrique aux bornes du dipôle en volts [V]

I L’intensité du courant électrique en ampères [A]



P = U.I

Avec cette convention :


  • La puissance P est positive si le dipôle se comporte en récepteur, donc s’il consomme effectivement de la puissance électrique.




  • La puissance P est négative si le dipôle se comporte en générateur, donc s’il fournit effectivement de la puissance électrique.


. b La convention générateur
Lorsque la flèche indiquant le sens du courant qui traverse un dipôle est dans le même sens que celle qui indique la tension aux bornes de ce dipôle, ce dernier est fléché sous la convention « générateur ».


U


I





Dipôle sous convention « générateur »
Ce dipôle est supposé fonctionner en générateur, la puissance active qu’il consomme est de la forme :

P La puissance électrique consommée par le dipôle en watts [W]

U La tension électrique aux bornes du dipôle en volts [V]

I L’intensité du courant électrique en ampères [A]



P = U.I

Avec cette convention :


  • La puissance P est positive si le dipôle se comporte en générateur, donc s’il fournit effectivement de la puissance électrique.




  • La puissance P est négative si le dipôle se comporte en récepteur, donc s’il consomme effectivement de la puissance électrique.


. c La mesure de la puissance électrique
La valeur de la puissance électrique fournit ou consommée par un dipôle se mesure à l’aide d’un wattmètre qui mesure à la fois la tension à ses bornes et l’intensité du courant qyui le traverse, il est donc placé :


  • En parallèle sur le dipôle, il doit être relié aux deux points dont on veut évaluer la différence de potentiels.




  • En série avec le dipôle, il doit être traversé par le courant dont il fait la mesure.



Le wattmètre est un appareil numérique de type RMS position AC + DC, en respectant bien le sens des branchements, et suivant le signe indiqué par cet appareil de mesure, il est possible de connaître le fonctionnement en générateur ou récepteur d’un dipôle.
. d L’unité de la puissance électrique
La puissance électrique s’exprime en watts, si la puissance est très faible, elle peut être donnée en milliwatts (1 mW = 10-3 W), mais si cette dernière est très élevée elle s’exprime en kilowatts (1 kW = 103 W), en mégawatts (1 MW = 106 W) ou en gigawatts (1 GW = 109 W).
. V Le pont diviseur de tension
La méthode proposée s'utilise lorsque plusieurs dipôles sont traversés par un même courant, le cas le plus commun est celui de dipôles branchés en série. Une relation simple permet d'évaluer la tension aux bornes de l'un ou d'un groupe de dipôles en fonction d'une autre tension aux bornes de l'un ou d'un groupe de ces dipôles.



. VI Le pont diviseur de courant
La méthode proposée s'utilise lorsque plusieurs dipôles sont soumis à une même tension, le cas le plus commun est celui de dipôles branchés en dérivation. Si l'intensité du courant qui traverse l'ensemble des dipôles est connue, une relation simple permet d'évaluer l'intensité traversant l'un des dipôles en fonction de l'intensité traversant l'ensemble de ces dipôles.




. VII Le théorème de Millman
Ce théorème est une conséquence directe de la loi des nœuds. Il s’applique à partir d’un point d’où partent plusieurs conducteurs reliés à des dipôles alimentés par des potentiels différents.



Le potentiel VA se calcule avec la relation :



Dans le cas particulier où un des dipôles est relié à la masse ou une source de courant impose un courant dans le circuit électrique.




. VIII Le théorème de superposition
. a Le générateur de tension
Une source de tension est un dipôle qui maintient une tension constante entre ses bornes et ceci indépendamment de l’intensité du courant qui le traverse, elle est notée

Source de tension allumée Source de tension éteinte
. b Le générateur de courant
Une source de courant est un dipôle qui débite un courant d’intensité constante et ceci indépendamment de la tension entre ses bornes, elle est notée


Source de courant allumée Source de courant éteinte
. c L’énoncé du théorème
Ce théorème est fréquemment utilisé dans un circuit linéaire comportant plusieurs sources indépendantes.


  • L’intensité du courant dans une branche est la somme algébrique des intensités des courants créées par chaque source agissant seule, toutes les autres étant éteintes.

  • La tension entre deux points est la somme algébrique des tensions créées par chaque source agissant seule, toutes les autres étant éteintes.




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