La résistance électrique
Jusqu’à présent, nous avons vu que la tension agit comme une force motrice qui pousse les électrons, créant ainsi un courant. Mais si la tension était la seule force en jeu, les électrons accéléreraient indéfiniment jusqu’à des vitesses infinies ! Heureusement (ou malheureusement pour les pertes d’énergie), la matière s’oppose à ce mouvement : c’est ce que l’on appelle la résistance électrique.
Qu’est-ce que la résistance électrique ?
La résistance est la propriété physique d’un matériau à s’opposer au passage du courant électrique. On la note R et son unité de mesure est l’Ohm (Ω), en l’honneur du physicien allemand Georg Ohm.
La réalité microscopique
Reprenons notre mer d’électrons libres dans le fil de cuivre. Lorsqu’une tension est appliquée, les électrons sont poussés vers la borne positive. Cependant, le fil n’est pas un tunnel vide ! Il est rempli de milliards d’atomes de cuivre vibrants.
En avançant, les électrons libres percutent violemment et constamment les atomes du réseau cristallin. À chaque collision, l’électron perd un peu de sa vitesse et transfère de l’énergie à l’atome percuté. C’est cette friction microscopique permanente qui freine le flux global des électrons.
L’analogie hydraulique
Pour reprendre notre système d’eau :
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La tension est la pression de l’eau.
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Le courant est le débit.
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La résistance correspond au diamètre du tuyau, ou à la présence de rochers à l’intérieur.
Un tuyau très large offre peu de résistance (le courant passe facilement). Un tuyau très fin, ou pincé au milieu, oppose une forte résistance (le courant diminue drastiquement pour une même pression).
La loi d’Ohm
Cette opposition au courant n’est pas aléatoire, elle est mathématiquement prévisible. C’est la loi la plus célèbre et la plus importante de toute l’électronique : la loi d’Ohm.
Elle relie nos trois grandeurs fondamentales :
Où :
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U est la tension en volts (V).
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R est la résistance en Ohms (Ω).
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I est le courant en ampères (A).
Comment l’interpréter ?
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Si vous voulez augmenter le courant (I) à travers une résistance fixe (R), vous devez pousser plus fort, donc augmenter la tension (U).
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Si la tension (U) est fixe (ex : une pile de 5V) et que vous remplacez votre composant par un autre ayant une résistance (R) deux fois plus grande, le courant (I) sera divisé par deux.
Simulateur interactif
Observez comment l’augmentation de la résistance électrique multiplie les collisions des électrons et réduit le courant global.
De quoi dépend la résistance d’un matériau ?
Pourquoi un fil de cuivre conduit-il mieux qu’un fil de fer de la même taille ? Et pourquoi un câble épais conduit-il mieux qu’un fil fin ? La résistance d’un objet dépend de sa géométrie et de sa nature chimique.
La formule physique de la résistance électrique est :
Où :
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ρ (rhô) est la résistivité du matériau (en Ω·m). C’est la résistance naturelle de la matière. L’argent et le cuivre ont une résistivité extrêmement faible. Le caoutchouc a une résistivité gigantesque.
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L est la longueur du conducteur (en mètres). Plus le fil est long, plus le parcours du combattant est long pour les électrons, et plus la résistance totale augmente.
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S est la section du fil (sa surface, en m²). Plus le fil est large, plus il y a de chemins possibles pour les électrons, et donc plus la résistance diminue.
C’est pour cela que les câbles qui transportent de forts courants (comme ceux de la batterie d’une voiture) sont très épais !
L’effet Joule : où va l’énergie perdue ?
Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme. Lors des collisions entre les électrons et les atomes du matériau, l’énergie cinétique perdue par les électrons est transférée aux atomes, qui se mettent à vibrer plus fort.
En physique, la vibration des atomes correspond à une seule chose : la chaleur. Le passage du courant dans une résistance électrique génère toujours de la chaleur. C’est ce qu’on appelle l’effet Joule.
La puissance (P) dissipée sous forme de chaleur se calcule avec la formule :
(Puissance en Watts)
C’est à la fois un ennemi et un allié :
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L’ennemi : Dans un microprocesseur, cette chaleur est une perte pure. C’est à cause de l’effet Joule que votre ordinateur chauffe et a besoin d’un ventilateur.
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L’allié : Dans un grille-pain, un four ou un radiateur électrique, on utilise volontairement des fils avec une forte résistance pour créer d’énormes quantités de chaleur grâce à l’effet Joule.
Avec la maîtrise de la tension, du courant et de la résistance électrique, vous avez désormais toutes les clés en main pour comprendre n’importe quel circuit électrique simple !
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