Générateurs de tension et de courant

Dans ce chapitre, nous étudierons les composants essentiels des circuits électriques qui fournissent de l'énergie : les générateurs de tension et de courant. Nous nous concentrerons en particulier sur le concept de force électromotrice (f.é.m.) qui est central pour comprendre le fonctionnement de ces dispositifs.

Générateurs de tension#

Les générateurs de tension, tels que les piles et les batteries, sont conçus pour maintenir une différence de potentiel constante entre leurs bornes, indépendamment du courant qu'ils délivrent. La force électromotrice, souvent abrégée f.é.m., est la tension que le générateur fournirait en l'absence de charge électrique. Elle est représentée par la lettre grecque ( \epsilon ) et s'exprime en volts (V).

La f.é.m. peut être définie par l'équation suivante :

$$ \\epsilon = \\frac{W}{Q} $$

où ( W ) est l’énergie électrique (en joules, J) fournie pour déplacer une charge ( Q ) (en coulombs, C) à travers le générateur, de la borne négative à la borne positive.

Il est important de noter que la f.é.m. n'est pas une force au sens classique, mais une tension, c'est-à-dire une énergie par unité de charge (en Volt, V).

Insérer schéma: Un diagramme d'un générateur de tension, avec les bornes positives et négatives étiquetées, et une représentation de la f.é.m. comme une différence de potentiel.

Générateur idéal et réel#

Un générateur de tension idéal est un concept théorique utilisé pour simplifier l'analyse des circuits électriques. Il est défini comme une source de tension qui fournit une tension constante indépendamment du courant qui circule à travers lui. En d'autres termes, la tension aux bornes du générateur reste invariable quelle que soit la charge connectée au circuit.

En notation mathématique, un générateur de tension idéal est représenté par l'équation suivante :

$$ V = \\epsilon $$

où ( V ) est la tension aux bornes du générateur et ( \epsilon ) est la force électromotrice (f.é.m.) du générateur.

Insérer schéma: Un circuit simple avec un générateur de tension idéal connecté à une résistance, montrant que la tension aux bornes de la résistance est égale à la f.é.m. du générateur.

En réalité, toutefois, tous les générateurs de tension réels possèdent une résistance interne, ce qui fait que la tension aux bornes diminue lorsque le courant augmente. Cela est dû à la chute de tension qui se produit à travers la résistance interne du générateur. La relation entre la tension aux bornes ( V ), la f.é.m. ( \epsilon ), le courant ( I ), et la résistance interne ( r ) d'un générateur de tension réel est donnée par l'équation :

$$ V = \\epsilon - Ir $$

où ( I ) est le courant circulant à travers le générateur et ( r ) est la résistance interne.

Insérer schéma: Un circuit avec un générateur de tension réel connecté à une charge, incluant la résistance interne dans le modèle du générateur, montrant la chute de tension causée par cette résistance interne.

Cette équation montre que si le courant ( I ) augmente, la chute de tension ( Ir ) à travers la résistance interne ( r ) augmente également, ce qui entraîne une diminution de la tension ( V ) aux bornes du générateur.

La différence principale entre un générateur de tension idéal et un générateur de tension réel réside donc dans l'effet de la résistance interne sur la tension délivrée par le générateur. Un générateur idéal n'a pas de résistance interne (ou on la considère comme négligeable), tandis qu'un générateur réel en a une, ce qui affecte la tension en fonction du courant délivré.

Générateurs de courant#

Les générateurs de courant sont conçus pour fournir un courant électrique constant. Contrairement aux générateurs de tension, ils maintiennent le courant à une valeur fixe, même si la tension aux bornes peut varier en fonction de la charge connectée au circuit.

La relation entre le courant ( I ) (en ampères, A), la f.é.m. ( \epsilon ) et la résistance interne ( r ) du générateur peut être exprimée par l'équation :

$$ I = \\frac{\\epsilon}{R + r} $$

où ( R ) représente la résistance totale du circuit externe (en ohms, Ω).

Cette équation montre que le courant dépend de la force électromotrice et de la somme des résistances interne et externe.

Insérer schéma: Un schéma d'un générateur de courant avec une charge connectée, illustrant le courant constant fourni et la variation de la tension en fonction de la charge.