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Le courant, la tension, la résistance et la puissance
Electricité
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Il va de soit qu'un appareil électrique fonctionne directement quand on le branche sur une prise de courant. Evident? pas nécessairement...

Lisez également la page sur les unités de mesure où on compare l'électricité à de l'eau.

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Batterie de voiture qui alimente une ampoule de voiture de 4W

Tension et courant = puissance

En ce qui concerne l’électricité, elle est principalement caractérisée par deux paramètres: la tension et le courant. Une comparaison avec de l’eau est parfaite. La tension, c’est la différence de niveau d’un barrage sur l’eau, et le courant électrique, c’est le débit de l’eau au barrage.

Un moulin à eau peut fonctionner avec une faible tension (faible dénivélation), mais alors il faut un débit important pour faire de la farine. Ou bien avec une forte dénivélation (tension élevée) et alors un débit plus faible suffit.

  • La tension électrique est indiquée en volt. Le voltmètre qui mesure la tension est branché "hors" du circuit, puisqu'il mesure une dfférence de niveau.

  • Le courant électrique est indiqué en ampère. L'ampèremètre est placé dans le circuit électrique.

Puissance

La puissance, qui est le produit de la tension et du courant est indiquée en watt. Nous avons donc P = U × I (puissance = tension * courant). Plus le courant est important, et plus il y a des pertes dans les conducteurs. Pour une puissance donnée, on peut réduire le courant en augmentant la tension. On a donc intéret à augmenter la tension entre le producteur et l’utilisateur.

Le branchement d'un compteur électrique est décrit sur une page séparée. Le compteur doit mesurer à la fois le courant et le voltage pour obtenir la puissance consommée.

Fréquence

La fréquence du courant indique combien de fois il change de direction par seconde. En Europe, on utilise une fréquence de 50 cycles (50Hz), tandis qu'aux Etats Unis on travaille avec du 60Hz.

On est passé au courant alternatif il y a près de cent ans, car l'alternatif permet de transformer facilement la tension. Actuellement les alimentations à découpage permettent de transformer tout aussi facilement la tension, qu'il s'agisse de continu ou d'alternatif.

Le fréquencemetre montré ici utilise des languettes mises en vibration par un petit électro-aimant. Chaque languette vibre sur une fréquence précise (un peu comme un diapason) et la languette qui correspond le plus à la fréquence du réseau va osciller très fort. Cette mesure est peu précise mais peut être réalisée evec peu de moyens. On utilise maintenant surtout des fréquencemètres numériques.

Résistance

La résistance limite le courant maximal. La résistance est indiquée en Ω (ohm). Plus la résistance est élevée, et moins le courant passe facilement.
  • Nous avons la résistance interne de la source (batterie ou bobine de l’alternateur) qui est généralement faible,

  • la résistance des conducteurs (généralement très faible) et

  • la résistance de l’utilisateur. C’est la résistance de l’utilisateur qui détermine normalement le courant total.
Une petite ampoule de feux arrière de voiture (résistance élevée) tire moins de courant qu’une grosse ampoule de phare. L’ampoule arrière d’une puissance de 4W a une résistance de 36Ω (à chaud) et limite fortement le courant. Le phare de la voiture a une résistance de 2.6Ω et freine moins le courant.

Une batterie de voiture qui a une résistance interne très faible (inférieure à 0.1Ω) peut fournir suffisamment de courant aussi bien à l’ampoule arrière qu’au phare. Une pile classique a une résistance interne plus élevée (environ 4.5Ω pour 9 piles de 1.5V en série pour obtenir 12V) peut fournir suffisamment de courant pour alimenter l’ampoule arrière, mais pas le phare. Toute l'énergie de la pile est dissipée dans la résistance interne de la pile (qui chauffe), pas dans le phare.

Premier exemple: une batterie de petite voiture qui alimente une ampoule arrière de voiture (4W).
La résistance totale du circuit est de 36 + 0.1 + 0.02 Ω. Le courant est donc de 12 / 36.12 = 0.33A.

Une batterie de capacité de 40Ah serait déchargée en 121 heures, soit environ 5 jours. Mais attention: une batterie de démarrage ne peut pas être déchargée plus de 20% de sa capacité (déformation des plaques) il faut la recharger au bout de 24 heures.

Notons maintenant les chutes de tension dans les différentes résistances.
Comme noté précédemment, le courant dans ce circuit est de 0.33A.
La tension développée entre une résistance est proportionnelle au courant et à la résistance.
Nous calculons les chutes de tension (également de la résistance interne de la batterie) des différentes résistances du circuit.
Finalement nous notons la puissance dissipée, qui est le produit du courant par la tension. On remarque que pratiquement toute la puissance fournie est dissipé par la lampe.

Batterie de voiture qui alimente un phare de 55W

Second exemple, notre phare de 55W (résistance 2.6Ω)
La résistance du circuit est de 2.72Ω

Le courant est de 4.41A, ce qui viderait notre batterie en moins de 10 heures. Pour éviter les dégats à la batterie, il n'est pas recommandé de laisser bruler les phares (2 × 55W) plus d'une heure sans faire tourner le moteur.

Notons à nouveau la distribution des tensions, qui est le produit du courant par la résistance.
Chute de tension due à la résistance interne de la batterie: 0.44V.
Et puis nous calculons les puissances dissipées aux différents endroits du circuit.
En tout, nous n'atteignons pas les 55W de la lampe, puisque les différentes résistances dans le circuit limitent le courant.
Remarquez également qu'une partie de l'énergie se perd dans la résistance interne de la batterie et dans les cables.

Dans une voiture, les pertes dans les cables et la batterie sont compensées par une tension d'alimentation plus élevée fournie par l'alternateur. Quand le moteur tourne, la tension aux bornes de la lampe est d'environ 13.5V.

Piles alcalines qui alimentent un phare de voiture

Que se passerait-il si nous branchions notre phare de 55W sur des piles alcalines format R6 AA (9 piles, pour obtenir 12V)?
La résistance totale des piles est de 4.5Ω
La résistance totale du circuit est de 7.12Ω, le courant est donc de 1.69A.
Nous pouvons à nouveau calculer les tensions et les puissances dissipées.
On remarquera que la puissance totale dissipée est faible (environ 20W), que le phare ne reçoit pas assez de tension pour s'allumer et que les 2/3 de la puissance est dissipée dans les piles.
En effet, au bout d'une minute, les piles sont devenues chaudes...
Des accumulateurs (NiCd ou hydrure de métal) ont une résistance plus faible que les piles. La résistance totale des piles rechargeables est de 0.9Ω, ce qui permet un courant total de 3.5A. Bien que nous avons toujours des pertes au niveau des accus, la puissance que reçoit la lampe est maintenant de 30W, et la perte dans les accus de environ 10W.

Nous allons maintenant simuler un circuit électrique avec différents composants: une source de courant, des cables et une lampe. Changez les paramètres et le programme recalcule les valeurs.

Lampe LED (500Ω)
Lampe arrière (36Ω)
Phare (2.6Ω)
Démarreur (0.2Ω)
Cours-circuit (0Ω)
Piles bouton (40Ω)
Piles alcalines (4.5Ω)
Piles rechargeables (0.9Ω)
Batterie petite voiture (0.1Ω)
Batterie voiture diesel (0.02Ω)
Cable standard 0.75 carré (0.01Ω)
Cable de montage électronique (0.15Ω)
Cable de démarreur (0.0005Ω)

Résistance totale
Courant dans le circuit
Perte à la source
Perte dans les cables
Puissance utile
Rendement
Attention, JavaScript travaille avec des nombres binaires et ne peut pas représenter correctement certaines valeurs décimales comme “0.1” de façon exacte. C'est pour cela qu'il y a une erreur dans le calcul de la résistance.

Batterie de voiture: attention - danger?

On peut produire de grosses étincelles quand on cours-circuite une batterie de voiture, car la batterie est capable de fournir un courant très important qui peut même faire fondre les fils.

Par contre aucun risque d’électrocution, puisque la résistance du corps humain (très élevée) limite le courant à une valeur pratiquement nulle. Les films où on voit une personne mourir parce qu’elle a touché les cables de la batterie, c’est de la foutaise. Le courant est si faible qu’on ne le remarque même pas. Ce n’est qu’avec des tensions supérieures à (environ) 50V qu’on remarque le courant. Le courant dépend de la résistance humaine, et est plus faible chez les jeunes (peau plus fine) ou quand la peau est humide. Il n'est donc pas possible d'indiquer à partir de quelle tension l'électricité devient dangereuse.

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