Par Robert Hazen, Ph.D., Université George Mason
Les circuits électriques sont des concepts importants qui ont des applications pratiques dans notre vie quotidienne. C’est un concept très simple qui incorpore trois composants différents — une source d’énergie électrique, un dispositif et une boucle fermée de matériau conducteur.
Source d’énergie électrique
Le premier composant d’un circuit électrique est la source d’énergie électrique qui permet aux électrons de se déplacer. Cette source pourrait être une batterie, une cellule solaire ou une centrale hydroélectrique — un endroit où il y a une borne positive et une borne négative et d’où la charge pourrait s’écouler de l’une à l’autre. Cette poussée de charge électrique est appelée tension dont le potentiel est mesuré en volts.
Dispositif dans le circuit électrique
Le deuxième composant est le dispositif. Il répond au courant qui le traverse. Aujourd’hui, un appareil est quelque chose qui peut être branché sur une prise murale et utilisé avec de l’électricité. La boucle est généralement fermée à l’aide d’une pièce de matériau conducteur. C’est généralement un fil, mais il existe d’autres types de matériaux qui peuvent également fermer la boucle. Par example, il y a différentes bandes de métal à l’intérieur du téléviseur qui ont été déposées sur une surface plastique qui peut être le matériau conducteur ou même dans certains cas, le châssis d’un dispositif qui fait partie du circuit fermé.
Résistance du Circuit électrique
Le troisième composant est la résistance; chaque circuit a une certaine résistance au flux d’électrons. Les électrons entrent en collision avec d’autres électrons et atomes qui composent le fil et convertissent ainsi une partie de leur énergie en chaleur. Il n’est tout simplement pas possible de transférer de l’énergie d’une forme à une autre sans perdre une partie de cette énergie sous forme de chaleur.
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Lampe de poche en circuit électrique
La lampe de poche est un appareil simple qui intègre ces trois composants. Les deux piles de la lampe de poche sont la source.
L’ampoule à l’extrémité de la lampe de poche est l’appareil dans lequel le courant circule. Le courant circule à travers un très petit filament qui chauffe jusqu’à une température très élevée en raison de la résistance électrique. En conséquence, le filament brille de mille feux.
Le circuit est finalement complété par une bande de métal qui descend le long du canon latéral de la lampe de poche. Il y a aussi une bobine de fil à une extrémité de la lampe de poche et à l’autre extrémité il y a les points de contact de la batterie ainsi que l’autre bande de fil qui complètent le circuit.
Interrupteur, Fusible et disjoncteurs
Les lampes de poche et la plupart des autres appareils électriques ont également un interrupteur. Un interrupteur est simplement un dispositif qui aide à rompre la boucle continue du matériau conducteur.
Lorsque l’interrupteur est ouvert, il n’y a pas de flux de courant mais lorsque l’interrupteur est fermé, il y a un flux. Fondamentalement, tous les circuits fonctionnent comme ça. Même dans le circuit branché sur le mur de votre pièce, il y a une boucle continue de fil qui s’étend de votre maison jusqu’à la centrale électrique.
Un fusible ou un disjoncteur est utilisé pour prévenir les incendies majeurs dus à des surcharges. Un fusible est conçu pour brûler si le courant devient trop élevé.
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Types de circuits électriques
Il existe deux types de circuits dans les maisons et d’autres appareils courants; à savoir les circuits en série et les circuits parallèles.
Circuits en série – Les circuits en série sont constitués de plusieurs dispositifs, chacun d’eux étant relié l’un après l’autre en une seule grande boucle. Bien que différents appareils aient des tensions différentes entre eux, le même courant traverse tous les appareils du circuit série.
Si l’un des périphériques d’un circuit série est cassé, le circuit entier tombe en panne. Par exemple, s’il y a trois ampoules connectées en série, dans une seule boucle de fil connectée à une batterie. Si une ampoule est dévissée, tout le circuit tombe en panne.
Circuits parallèles – Dans les circuits parallèles, différents dispositifs sont disposés de sorte qu’une seule source fournisse une tension pour séparer les boucles de fil. La tension dans chaque appareil à travers le circuit est exactement la même, mais en général différents appareils vont voir des courants différents. Dans ce cas, chaque appareil va fonctionner même si les autres échouent.
Par exemple, si deux ampoules sont reliées en parallèle et que l’une est dévissée, l’autre fonctionnera. Les lumières d’arbres de Noël modernes sont faites dans des circuits parallèles de sorte que même si une seule lumière brûle, le brin entier n’a pas à être jeté.
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Systématiser les relations entre les Circuits électriques – Lois de Kirchhoff
Le comportement systématisé des circuits est d’une immense importance en génie électrique et s’explique par les lois de Kirchhoff. La première loi stipule: « L’énergie produite par la source est égale à l’énergie consommée dans le circuit, y compris la chaleur perdue à la suite de la résistance. »
La deuxième loi stipule: « Le courant circulant dans n’importe quelle jonction est égal à la somme des courants sortant de cette jonction. »Cela signifie que le courant est constitué d’électrons circulant à travers les fils et que le nombre d’électrons entrant dans une jonction est égal au nombre d’électrons sortant de cette jonction.
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Différentes Formes d’énergie électrique sont-elles Fondamentalement identiques?
Michael Faraday a effectué des relevés systématiques minutieux de tous ces différents types d’électricité. Il a pu démontrer que toutes ces différentes formes d’électricité produisaient exactement le même genre de phénomène et résultaient du mouvement des électrons.
Faraday a conclu que toutes les formes d’énergie produisaient des étincelles, pouvaient circuler à travers des fils et pouvaient être faites pour travailler. Ses recherches ont également montré pour la première fois que l’électricité animale d’une anguille électrique, l’électricité provenant d’une batterie et l’électricité de la foudre étaient toutes un seul et même phénomène.
Courant électrique et puissance
Le flux ou le mouvement des électrons à travers le circuit électrique est appelé courant électrique. Le courant est mesuré en ampères. Un ampère correspond à environ 6 milliards d’électrons passant un point dans ce circuit toutes les secondes.
Un autre terme important associé à l’électricité est la puissance. Le pouvoir est défini comme un travail divisé par le temps. Dans un circuit électrique, la puissance est égale à la tension de courant, mesurée en watts. Plus la puissance en watts est élevée, plus l’énergie consommée par cet objet, qu’il s’agisse d’une ampoule, d’un amplificateur ou de tout autre appareil électrique, est rapide.
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Questions courantes sur les contributions d’Alessandro Volta et l’invention de la batterie
Lorsque le courant traverse un très petit filament, il chauffe à une température très élevée en raison de la résistance électrique. Cela fait brûler le filament et, par conséquent, l’ampoule de la lampe de poche brille.
Les fusibles et les disjoncteurs sont conçus pour empêcher les équipements électriques d’être endommagés en raison d’une surcharge. Alors que les fusibles doivent être remplacés après une surcharge, les disjoncteurs doivent simplement être réinitialisés.
Le flux d’électrons à travers un circuit électrique est appelé courant électrique et est mesuré en ampères.
Les lumières d’arbre de Noël d’autrefois étaient un circuit de type série où si une ampoule ne fonctionnait pas, tout le circuit échouerait. Cependant, les lumières d’arbres de Noël modernes suivent le principe des circuits parallèles