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4. La loi d’Ohm : Un voyage à travers les essentiels des circuits électriques

Chaque appareil électronique fonctionne selon des principes régis par des circuits et des cartes électroniques. Pour garantir le bon fonctionnement de ces dispositifs, les ingénieurs électriciens doivent comprendre et maîtriser en profondeur le flux de l’électricité. Un concept fondamental dans ce domaine est la loi d’Ohm, qui établit une relation de base entre la tension, le courant et la résistance dans les circuits électriques. Cette leçon explore la loi d’Ohm, ses implications et ses applications.

Cette leçon s’intéresse aux principes fondamentaux qui sous-tendent chaque appareil électronique que nous utilisons aujourd’hui. Comprendre ces principes, en particulier la loi d’Ohm, est essentiel pour que les ingénieurs électriciens puissent contrôler et prédire le comportement des circuits de manière efficace.

L’étincelle de l’électricité

L’histoire de l’électricité commence avec des expériences pionnières et des découvertes profondes. Benjamin Franklin, avec son expérience du cerf-volant, bien qu’il n’ait pas découvert l’électricité, a suscité la curiosité et encouragé l’exploration des charges électriques et de leur puissance.

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Ses expériences ont posé les bases de la compréhension que l’électricité implique le mouvement des charges positives et négatives, analogue aux phénomènes naturels tels que la foudre. Inspiré par Franklin, le scientifique français Thomas-François Dalibard a démontré des exemples pratiques de la manière dont les courants électriques peuvent se produire naturellement.

Cette époque a également été marquée par la rivalité et les réalisations conjointes de Nikola Tesla et Thomas Edison, dont les efforts ont contribué à façonner notre infrastructure électrique moderne. Le développement du courant alternatif (AC) par Tesla et l’introduction de l’ampoule électrique par Edison illustrent les progrès rapides de l’ingénierie électrique.

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Les avancées ont continué avec l’invention du transistor en 1947, un composant fondamental pour tous les appareils électroniques modernes. Ce petit mais puissant dispositif a permis la création de micropuces et de commutateurs électroniques, essentiels dans le monde technologique d’aujourd’hui.

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Georg Ohm et sa loi

Au milieu de ces progrès technologiques, Georg Ohm, un physicien allemand, a entrepris des expériences qui allaient définir les principes fondamentaux des circuits électriques. À une époque où l’électricité était encore un domaine scientifique nouveau, Ohm a exploré le comportement des courants électriques dans différentes conditions, en utilisant des montages expérimentaux simples mais efficaces comprenant des fils, des batteries et des résistances faites maison.

Les expériences minutieuses d’Ohm ont révélé une relation proportionnelle constante entre la tension, le courant et la résistance, encapsulée dans la formule V=IR—aujourd’hui célébrée comme la loi d’Ohm. Cette découverte a non seulement fourni une description mathématique de l’électricité, mais a également facilité la conception et le fonctionnement prévisibles des dispositifs électriques.

Voltage = Current x Resistance
Or
V = I • R

La persévérance d’Ohm face au scepticisme a mis en lumière l’importance de ses découvertes, qui ont jeté les bases des avancées technologiques futures et inauguré une nouvelle ère dans l’ingénierie électrique.

Comprendre le courant, la tension et la résistance

Pour bien comprendre et appliquer la loi d’Ohm, il est essentiel de maîtriser les concepts de base que sont le courant, la tension et la résistance. Ces éléments sont indispensables dans tout circuit, à l’image des éléments d’une rivière en mouvement.

  • Courant (I) : Le flux d’électrons à travers un conducteur, mesuré en ampères (ampères).

  • Tension (V) : La force ou pression électrique qui pousse les électrons à travers un conducteur.

  • Résistance (R) : Oppose le flux des électrons, mesurée en ohms (Ω), et généralement représentée par la lettre grecque oméga.

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L’analogie avec un tuyau d’arrosage permet de clarifier ces concepts :

  • Le courant est comparable au flux d’eau, indiquant la vitesse à laquelle les électrons se déplacent à travers un conducteur.

  • La tension est comme le robinet, régulant la force qui propulse l’eau.

  • La résistance est similaire à des nœuds ou des coudes dans le tuyau, qui obstruent le passage de l’eau et ralentissent le flux.

Cette explication permet de relier la connaissance théorique de la loi d’Ohm au comportement des circuits réels, jetant les bases d’un apprentissage et d’une application plus poussés.

Explorer la loi d’Ohm avec des expériences pratiques

Passons maintenant à une application pratique de la loi d’Ohm en utilisant un circuit LED simple pour observer les effets du changement de résistance et de tension.

Montage expérimental

  1. Vous commencerez avec un circuit de base comprenant une LED et une résistance de 220 ohms.

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  2. Remplacez la résistance de 220 ohms par d’autres résistances de différentes valeurs, comme indiqué ci-dessous. Notez les changements de luminosité de la LED à chaque substitution pour observer comment la résistance affecte le courant et, par conséquent, la sortie lumineuse.

    Résistance

    Observations

    100Ω

    1KΩ

    10KΩ

    1MΩ

Vous remarquerez qu’avec une résistance de 100Ω, la LED est plus brillante qu’avec la résistance précédente de 220Ω. Avec des résistances plus élevées, la luminosité de la LED diminue jusqu’à ce qu’elle s’éteigne complètement à 1MΩ. Pourquoi ?

Selon la loi d’Ohm (I = V/R), à mesure que la résistance augmente alors que la tension reste constante, le courant à travers la LED diminue, ce qui réduit la luminosité de la LED. À 1MΩ, le courant est trop faible pour allumer la LED.

  1. Après avoir observé les effets du changement de résistance, maintenez la résistance à 220 ohms et modifiez la tension d’alimentation du circuit de 5V à 3,3V. Notez tout changement dans la luminosité de la LED.

Vous constaterez que la LED est légèrement moins lumineuse à 3,3V qu’à 5V. Pourquoi ?

Selon la loi d’Ohm, en connaissant la résistance et la nouvelle tension, le courant sera I = V/R. Avec une diminution de la tension alors que la résistance reste la même, le courant diminue, réduisant la luminosité de la LED.

Résumé

En réalisant ces expériences, vous avez observé directement comment la loi d’Ohm est fondamentale pour comprendre et concevoir des circuits électriques. Cette application pratique permet de consolider les concepts théoriques abordés précédemment et montre les implications réelles de la tension, du courant et de la résistance en ingénierie électrique.