Chapitre 2 · Le courant électrique : la boucle, la poussée et la limite
Circuits, tension et loi d’Ohm
La première pile
La scène montre une pile, deux fils et une ampoule reliés en anneau. L’ampoule ne brille que tant que l’anneau est fermé ; coupez un fil et elle s’éteint. En 1800, Alessandro Volta a décrit sa pile : des disques de zinc et de cuivre séparés par un tissu imbibé d’eau salée, empilés en colonne. C’était la première source stable de courant. Les réactions chimiques d’une pile séparent la charge et continuent de la pousser dans la boucle. Une pile AA moderne fait de même à 1,5 V. Les expériences à la maison se limitent aux petites piles ; la prise murale est une autre affaire et peut tuer.
Courant et tension
Regardez les points qui dérivent dans le fil. Le courant, I, compte la charge qui passe en un point chaque seconde : I = Q / t. Son unité, l’ampère, est un coulomb par seconde. Si 0,5 A circule pendant 20 s, alors Q = 0,5 × 20 = 10 C sont passés. La tension, V, est la poussée, l’énergie donnée à chaque coulomb : 1 V = 1 J/C, donc une pile de 1,5 V donne 1,5 J à chaque coulomb. Pensez à l’eau dans des tuyaux, le courant étant le débit et la tension la pression. Les électrons avancent à bien moins d’un millimètre par seconde, et pourtant la poussée fait le tour de la boucle presque instantanément.
Résistance et loi d’Ohm
Tout matériau s’oppose un peu au passage du courant, et la résistance se mesure en ohms. En 1827, Georg Ohm a publié la relation V = I·R, où V est la tension en volts, I le courant en ampères et R la résistance en ohms. Réarrangée, I = V / R : pour la même poussée, plus de résistance signifie moins de courant. Une pile de 6 V aux bornes d’une résistance de 12 Ω fait passer 6 / 12 = 0,5 A. Une pile de 9 V sur 450 Ω donne 9 / 450 = 0,02 A, soit 20 mA. Dans la scène, les points ralentissent et se serrent quand vous augmentez R ; le bac à sable fait les calculs pour vous.
En série : une seule route
Deux ampoules identiques de 6 Ω se partagent une pile de 6 V. Montées en série, le courant n’a qu’une route, donc les résistances s’additionnent : R = R₁ + R₂ = 12 Ω. Alors I = 6 / 12 = 0,5 A traverse les deux, et chaque ampoule prend la moitié de la poussée : 0,5 × 6 = 3 V. Toutes deux brillent faiblement. Dévissez-en une et l’anneau se rompt, donc les deux s’éteignent, et c’est pourquoi les vieilles guirlandes de fête tombaient en panne d’un seul coup.
En parallèle : deux routes
Maintenant chaque ampoule est sur sa propre branche, directement aux bornes de la pile, et reçoit donc les 6 V en entier. Les branches se partagent le courant : 6 / 6 = 1 A dans chacune, 2 A au total à la sortie de la pile. La résistance combinée suit 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ = 1/6 + 1/6, donc R = 3 Ω, et la vérification tombe juste : 6 / 3 = 2 A. Ajouter une branche abaisse la résistance totale. Les maisons sont câblées en parallèle : chaque prise reçoit toute la tension du secteur et une lampe grillée laisse les autres allumées.
Puissance et fusible
La puissance est le rythme de consommation d’énergie : P = V·I, en watts. Comparez les deux montages. En parallèle, 6 V × 2 A = 12 W, vif. En série, 6 V × 0,5 A = 3 W, faible. Avec la loi d’Ohm, c’est aussi P = I²R, la chaleur produite dans le fil. Trop de courant surchauffe un fil et peut déclencher un incendie : les circuits sont donc protégés. Un fusible est une fine bande qui fond à son courant nominal, et un disjoncteur s’ouvre d’un coup. Un disjoncteur de 16 A sur un circuit de 230 V autorise 230 × 16 = 3 680 W ; branchez davantage et il déclenche. Dans la scène, le fusible rougit, puis un vide s’ouvre.
En chiffres
- 1800
- Volta décrit sa pile, la première batterie stable
- V = I·R
- loi d’Ohm, publiée par Georg Ohm en 1827
- 3 680 W
- la limite d’un disjoncteur de 16 A à 230 V