Intensité, tension et résistance

Une batterie de camion qui fait passer 720 coulombs dans le démarreur en 4 secondes fournit un courant d'une intensité de 180 ampères.

L'intensité mesure la charge qui passe par seconde

Imagine-toi à côté d'un fil, en train de compter la charge qui passe en un point. La quantité de charge par seconde est l'intensité du courant électrique, I = ΔQ ÷ Δt. Son unité est l'ampère (A), nommé en l'honneur d'André-Marie Ampère : un ampère correspond à un coulomb par seconde. Au démarrage d'un camion, la batterie fait circuler 720 C en 4.00 s : 720 ÷ 4.00 = 180 A. Une calculatrice de poche fonctionne avec environ 0.300 mA. Il faut donc 1 ÷ 0.000300 ≈ 3333 secondes, soit presque une heure, pour qu'un seul coulomb la traverse. Les fusibles, les disjoncteurs et de nombreux appareils portent une indication en ampères.

Dans quel sens le courant circule-t-il ?

Dans un fil métallique, les charges mobiles sont des électrons. Ils vont de la borne négative de la pile à la borne positive, en passant par le circuit. Mais le sens indiqué sur tous les schémas électriques est le sens opposé. Par convention, le courant suit le sens dans lequel se déplacerait une charge positive : il sort de la borne + et revient à la borne −. Cette convention remonte à Benjamin Franklin, dans les années 1700. Les deux descriptions donnent les mêmes résultats pour les intensités et les tensions : une charge négative qui va vers la gauche a le même effet qu'une charge positive qui va vers la droite. Dans le laboratoire de circuits, tu peux afficher les électrons, les flèches du courant ou les deux, et constater qu'ils vont toujours en sens opposés.

Les électrons eux-mêmes avancent lentement. Chacun heurte des atomes et suit un trajet en zigzag ; sa vitesse moyenne vers l'avant, appelée vitesse de dérive, est minuscule. OpenStax la calcule pour un fil de cuivre domestique de 2.053 mm de diamètre parcouru par un courant de 20 A : environ 0.45 mm par seconde. Un électron mettrait donc plus d'une demi-heure à parcourir un mètre. Pourtant, une lampe s'allume dès que tu appuies sur l'interrupteur. L'impulsion se propage le long du fil presque à la vitesse de la lumière, car le fil contient déjà des électrons libres. Quand ceux d'une extrémité commencent à bouger, ceux du reste du fil se mettent aussi en mouvement, comme l'eau dans un tuyau plein.

La tension : l'énergie par coulomb

Il faut quelque chose pour faire circuler les charges. Une pile fournit un travail à chaque coulomb qui la traverse. L'énergie fournie par coulomb correspond à la tension, mesurée en volts : 1 V = 1 joule par coulomb. Une pile de 1.5 V fournit 1.5 J à chaque coulomb. Une batterie de voiture de 12 V fournit 12 J par coulomb : en faisant circuler 5 C, elle cède donc 60 J. Une tension est toujours une différence entre deux points, d'où son autre nom : différence de potentiel. Le potentiel augmente dans la pile, puis diminue aux bornes des lampes et des résistances du reste du circuit, où l'énergie se transforme en lumière et en chaleur.

Une comparaison avec l'eau peut aider. La pile est une pompe qui élève l'eau ; la tension correspond à la hauteur atteinte. L'intensité représente la quantité d'eau qui passe chaque seconde. Un tuyau étroit qui freine l'écoulement joue le rôle de la résistance. Cette comparaison a ses limites, mais elle explique pourquoi une tension plus élevée produit un courant plus intense dans le même tuyau.

La résistance : ce qui freine le courant

En dérivant, les électrons libres heurtent les atomes du matériau et leur cèdent de l'énergie, ce qui l'échauffe. Cette opposition au passage du courant est la résistance R, mesurée en ohms (Ω). La résistance d'un fil dépend du matériau, de sa longueur et de son épaisseur : R = ρL ÷ A, où ρ est la résistivité du matériau. Un fil plus long a une résistance plus grande ; un fil plus épais, une résistance plus faible. Le tableau présente quelques résistivités données par OpenStax. On utilise le cuivre pour le câblage parce que seul l'argent conduit mieux, et qu'il coûte beaucoup plus cher. Le nichrome, dont la résistivité est environ 58 fois celle du cuivre, sert à fabriquer les résistances incandescentes des grille-pain et des appareils de chauffage.

Fais le calcul pour 10 m de ce fil de cuivre domestique. Sa section vaut π × (1.0265 mm)² ≈ 3.31 × 10⁻⁶ m², donc R = 1.72 × 10⁻⁸ × 10 ÷ (3.31 × 10⁻⁶) ≈ 0.052 Ω. C'est pourquoi on peut généralement négliger la résistance des fils de connexion, comme dans le laboratoire de circuits.