La loi d'Ohm est l'une des lois fondamentales de la physique et de l'électrotechnique. Il a été formulé par le physicien allemand Georg Simon Ohm en 1827 et décrit la relation entre le courant électrique, la tension et la résistance dans un circuit électrique.
Dans cet article, nous aborderons la définition, expliquerons la formule et expliquerons les caractéristiques et concepts fondamentaux liés à cette loi.
Définition de la loi d'Ohm
La loi d'Ohm est une loi en électricité qui stipule que : « l'intensité d'un courant continu est directement proportionnelle à la différence de potentiel et inversement proportionnelle à la résistance du circuit ».
Formule de la loi d'Ohm
En termes mathématiques, la loi d'Ohm est appliquée par l'équation :
Où:
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R est la résistance électrique. Par résistance on désigne l'obstacle que le courant trouve sur son passage, plus il est élevé, plus il sera difficile au courant de le franchir. L'unité de mesure de la résistance est l'ohm, symbolisée par la lettre grecque oméga (Ω).
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I est l'intensité d'un courant électrique qui traverse un conducteur exprimée en Ampères (A).
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V est la tension. Par tension, on entend cependant la différence de potentiel entre un point par rapport à un autre exprimée en Volts (V).
L'intensité du courant des charges électriques est directement proportionnelle à la tension appliquée et inversement proportionnelle à la résistance.
Pour la tension, en revanche, plus elle est élevée, plus la force d'attraction qu'elle génère pour déplacer les charges est grande, donc pour une même valeur résistive elle sera directement proportionnelle au courant.
Qu'est-ce que le triangle de la loi d'Ohm ?
Le triangle de la loi d'Ohm est une astuce pour mémoriser la formule.
Pour obtenir la formule triangulaire, nous devons couvrir avec notre main la variable que nous voulons obtenir. Si les deux éléments restants sont l'un au-dessus de l'autre, ils sont divisés, s'ils sont alignés, ils sont multipliés.
Les trois combinaisons possibles sont :
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Je = V / R
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V = I · R
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R = V / I
Composants clés de la loi d'Ohm
Pour bien comprendre la loi d'Ohm, il est essentiel d'analyser les trois principaux composants impliqués : la tension, le courant et la résistance.
Tension
La tension, également connue sous le nom de différence de potentiel ou tension, est la force qui pousse les électrons à se déplacer dans un conducteur. C'est une mesure de l'énergie potentielle électrique par unité de charge.
Lorsqu’il existe une différence de potentiel entre deux points d’un circuit, les électrons circulent du point de potentiel le plus élevé au point de potentiel le plus faible. Ce flux d’électrons est ce que nous appelons le courant électrique.
La tension est mesurée en volts (V), et une façon de la visualiser est de penser à un système hydraulique. Si l’on considère l’eau dans un tuyau, la tension serait équivalente à la pression poussant l’eau à travers le tuyau. Plus la pression est élevée, plus le débit d’eau est important.
Endurance
La résistance est une mesure de l'opposition au flux de courant dans un conducteur. Elle se mesure en ohms (Ω) et sa valeur dépend du matériau, de la forme et de la température du conducteur. Les conducteurs à haute résistance rendent difficile la circulation du courant, tandis que les conducteurs à faible résistance permettent au courant de circuler facilement.
La résistance est influencée par des facteurs tels que la longueur et la section transversale du conducteur. Selon la loi de résistance des matériaux, la résistance est directement proportionnelle à la longueur du conducteur et inversement proportionnelle à sa section transversale. Les matériaux conducteurs, comme le cuivre et l’aluminium, ont une faible résistance, tandis que les matériaux non conducteurs, comme le bois et le plastique, ont une résistance élevée.
Courant électrique
Le courant électrique est le flux d'électrons à travers un conducteur. Elle se mesure en ampères (A) et peut être comparée à la quantité d’eau circulant dans un tuyau. Dans un circuit électrique, le courant est le flux net de charge à travers une section transversale du conducteur par unité de temps.
Il existe deux principaux types de courant : le courant continu (DC) et le courant alternatif (AC). En courant continu, les électrons circulent dans une direction constante, tandis qu’en courant alternatif, les électrons changent périodiquement de direction.
La loi d'Ohm s'applique aux deux types de courant, mais dans les systèmes à courant alternatif, des facteurs tels que l'impédance (une combinaison de résistance, de capacité et d'inductance) jouent également un rôle important.
Explication de la loi d'Ohm avec un exemple
Pour mieux comprendre la loi d'Ohm nous utiliserons un exemple hydraulique simple :
Imaginons un tuyau relié au réservoir d'un camion de pompiers.
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Tension (V). La tension est équivalente à la puissance de la pompe à eau du camion. La pompe à eau « applique une tension » au circuit.
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Résistance (R). La résistance du circuit électrique est équivalente à la résistance offerte par le tuyau (diamètre). Si le tuyau a un grand diamètre, l’eau s’écoulera plus facilement que si le diamètre est petit. Dans l'exemple du circuit électrique, la notion de résistance est équivalente mais s'exprime en Ohms (Ω).
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Intensité du courant (I). Dans notre exemple, l’intensité est le nombre de molécules d’eau qui traversent une section du tuyau par unité de temps. Dans un circuit électrique, l’équivalent des molécules sont des charges électriques.
Dans cette comparaison, il est facile de comprendre que si l’on augmente la capacité de la pompe (tension), le débit d’eau (intensité) augmentera. De la même manière, si l’on utilise un tuyau plus petit (plus grande résistance), le débit diminuera également.
Limites de la loi
Bien que la loi d’Ohm soit extrêmement utile, elle présente certaines limites. La principale limitation est qu’elle ne s’applique qu’aux matériaux et composants qui se comportent de manière linéaire, c’est-à-dire ceux qui ont une relation linéaire entre la tension et le courant. Ces matériaux sont dits « ohmiques », et leur résistance est constante quels que soient la tension et le courant.
Cependant, tous les matériaux n’ont pas un comportement ohmique. Les semi-conducteurs, comme le silicium, ont une relation non linéaire entre la tension et le courant, ce qui signifie que leur résistance change en fonction de la tension appliquée. Les dispositifs tels que les diodes et les transistors ne suivent pas strictement la loi d'Ohm, car leur comportement est plus complexe.
De plus, dans les circuits à courant alternatif (CA) où il y a une capacité et une inductance, la loi d'Ohm doit être modifiée pour tenir compte de l'impédance, qui est l'opposition totale au flux de courant, y compris la résistance, la capacité et l'inductance.
Loi d'Ohm et puissance électrique
Parfois, la formule de la puissance électrique est utilisée en appliquant la loi d'Ohm.
La formule de puissance est la suivante (avec unité de watts) :
P = V · I, (puissance = tension x courant)
y sus variantes : V = P / I et I = P/V,
Les deux variantes peuvent être substituées dans la formule de la loi d'Ohm. Par exemple, si nous partons de la formule pour calculer la tension et la substituons, nous avons la formule suivante :
V = ( P / V) · R
En isolant le pouvoir, nous nous retrouvons avec ce qui suit :
V² · R = P
Histoire de la loi d'Ohm
La loi d'Ohm a été découverte et publiée par Georg Simon Ohm dans son livre Die galvanische Kette, mathematisch Bearbeitet en 1827. Bien que sa découverte soit aujourd'hui largement reconnue comme une avancée fondamentale en physique et en génie électrique, elle n'a pas été accueillie avec autant d'enthousiasme à l'époque. .
De nombreux scientifiques contemporains n’ont pas pleinement compris l’importance de son travail et Ohm n’a pas reçu la reconnaissance immédiate qu’il méritait.
Le contexte historique dans lequel Ohm a formulé sa loi est important pour comprendre l’ampleur de sa découverte. Au début du XIXe siècle, les scientifiques commençaient à explorer les propriétés de l’électricité et du magnétisme, mais les fondements de ces phénomènes n’étaient pas bien compris. Les premières recherches sur l’électricité étaient largement axées sur les phénomènes électrostatiques (charges électriques au repos) et la compréhension du courant électrique (charges en mouvement) était rudimentaire.
Ohm a réalisé une série d'expériences minutieuses en utilisant des fils conducteurs et différentes sources de tension pour mesurer la relation entre le courant circulant dans les conducteurs et la tension appliquée. À partir de ces expériences, il formule la loi qui porte son nom, qui décrit de manière mathématique la relation entre ces trois éléments.
Malgré la résistance initiale de la communauté scientifique, les travaux d'Ohm ont jeté les bases du développement de la théorie électrique et ont eu un impact durable sur l'ingénierie et la technologie. En reconnaissance de ses contributions, l'unité de résistance électrique du Système international d'unités (SI) a été nommée en son honneur : l'ohm (Ω).