Pour que le courant électrique s'écoule d'un point à l'autre, une tension doit exister entre les deux points. Une tension placée à travers un conducteur donne lieu à une force électromotrice EMF qui est responsable de donner à tous les électrons libres dans le conducteur une poussée.
En tant que note technique, avant que nous commencions, la tension est également appelée une différence de potentiel ou simplement un potentiel: ils signifient tous la même chose. Nous éviterons d'utiliser ces termes, car il est facile de les confondre avec le terme énergie potentielle, ce qui n'est pas la même chose.
Un simple circuit de lampe de poche, composé d'une batterie connectée à une lampe, à travers deux conducteurs et un interrupteur, est illustré à la figure 2.4. Lorsque le commutateur est ouvert ("off"), aucun courant ne fonctionnera. Le moment où le commutateur est fermé, cependant, la résistance du commutateur tombe à presque zéro, et le courant évoluera. Cette tension entraîne alors tous les électrons libres, partout dans le circuit, dans une direction qui pointe de négatif à positif; le flux de courant conventionnel, bien sûr, pointe dans la direction opposée (voir Benjamin Franklin).
Il est important de noter que la batterie a besoin du reste du circuit, tout comme le reste du circuit a besoin de la batterie. Sans la liaison entre ses terminaux, les réactions chimiques dans la batterie ne peuvent être effectuées. Ces réactions chimiques impliquent le transfert d'électrons, ce qui, par conception intentionnelle, ne peut se faire que par une liaison entre les bornes de la batterie (par exemple, où se déplace le circuit).
La figure 2.5 montre ce processus en utilisant une pile alcaline alcaline. Notez que le flux de courant est conservé à travers le circuit, même si la nature du courant à travers le circuit varie selon le courant ionique dans les sections de la batterie, le courant d'électrons ailleurs.
Comme les électrons libres dans le filament de la lampe connaissent un EMF en raison de la tension appliquée, l'énergie supplémentaire qu'ils gagnent est transférée aux atomes du réseau de filaments, ce qui entraîne la chaleur (vibrations atomiques du filament) et la lumière émise (lorsqu'un électron de valence d'un atome de réseau est excité par un électron libre et l'électron lié revient à une configuration d'énergie inférieure, libérant ainsi un photon).
Un dispositif qui maintient une tension constante à travers ses terminaux s'appelle un direct
source de tension actuelle (ou source de tension DC). Une batterie est un exemple de source de tension continue.
Le symbole schématique d'une batterie est
En ce qui concerne les énergies potentielles des électrons libres dans les conducteurs menant à et à partir de la batterie, nous supposons que tous les électrons dans le même conducteur ont la même énergie potentielle. Ceci suppose qu'il n'y a pas de différence de tension entre les points dans le même conducteur. Par exemple, si vous prenez un voltmètre et le placez entre deux points d'un seul conducteur, il mesurera 0 V. (Voir la figure 2.8). Pour des raisons pratiques, nous acceptons cela comme étant vrai. Cependant, en réalité, ce n'est pas le cas. Il y a une légère chute de tension par un conducteur, et si nous avions un voltmètre extrêmement précis, nous pourrions mesurer une chute de tension de 0,00001 V ou plus, en fonction de la longueur du conducteur, du courant et du type de matériau conducteur. Ceci est attribué à la résistance interne dans les conducteurs - un sujet que nous aborderons dans un instant.
(Notez que l'utilisation de "V" pour une quantité algébrique et une unité de tension est une source potentielle de confusion dans une expression comme V = 1,5 V. La quantité algébrique est en italique.)
Deux points avec une tension de 1 V entre eux ont une "pression" suffisante pour effectuer 1 J de travail tout en déplaçant 1 C de charge entre les points. Par exemple, une batterie idéale de 1,5 V est capable de déplacer 1 C de charge à travers un circuit tout en effectuant une valeur de 1,5 J de travail.
Une autre façon de définir un volt est en termes de puissance, ce qui est plus utile dans l'électronique. Le pouvoir représente la quantité d'énergie par seconde dans l'alimentation d'un circuit. Selon la conservation de l'énergie, nous pouvons dire que la puissance utilisée pour conduire un circuit doit être égale à la puissance utilisée par le circuit pour faire du travail utile plus la puissance gaspillée, comme dans le cas de la chaleur. En supposant qu'un seul électron perd toute son énergie potentielle de passer par un circuit de borne négative à positive, nous disons, pour des raisons d'argument, que toute cette énergie doit être convertie en travail utile et gaspillée (chaleur). Par définition, le pouvoir est mathématiquement exprimé par dW / dt. Si nous substituons l'expression d'énergie potentielle U = Vq pour W, en supposant que la tension est constante (par exemple, la tension de la batterie), nous obtenons ce qui suit:
Puisque nous savons que le courant I = dq / dt, nous pouvons le remplacer par l'expression précédente pour obtenir:
C'est ce qu'on appelle la loi de puissance généralisée. Cette loi est incroyablement puissante, et elle fournit un résultat général, indépendant du type de matériau et de la nature du mouvement de charge. L'unité de cette alimentation électrique est en watts (W), avec 1 W = 1 J / s, ou en termes de volts et d'amplis, 1 W = 1 VA.
En termes de puissance, alors, le volt est défini comme suit:
La loi de puissance généralisée peut être utilisée pour déterminer la perte de puissance de tout circuit, compte tenu uniquement de la tension appliquée à travers celui-ci et du courant étiré, qui peut être facilement mesuré à l'aide d'un voltmètre et d'un ampèremètre. Cependant, cela ne vous dit pas précisément comment cette puissance est utilisée, plus à ce sujet lorsque nous arrivons à la résistance. Voir la figure 2.9.
Exemple 1: notre circuit de lampe de poche 1.5-V tire 0.1 A. Combien d'énergie consomme le circuit?
Exemple 2: Un appareil électrique de 12 ° C est spécifié comme consommant 100 W de puissance. Combien d'actualité at-il attiré?
Répondre:
En tant que note technique, avant que nous commencions, la tension est également appelée une différence de potentiel ou simplement un potentiel: ils signifient tous la même chose. Nous éviterons d'utiliser ces termes, car il est facile de les confondre avec le terme énergie potentielle, ce qui n'est pas la même chose.
Un simple circuit de lampe de poche, composé d'une batterie connectée à une lampe, à travers deux conducteurs et un interrupteur, est illustré à la figure 2.4. Lorsque le commutateur est ouvert ("off"), aucun courant ne fonctionnera. Le moment où le commutateur est fermé, cependant, la résistance du commutateur tombe à presque zéro, et le courant évoluera. Cette tension entraîne alors tous les électrons libres, partout dans le circuit, dans une direction qui pointe de négatif à positif; le flux de courant conventionnel, bien sûr, pointe dans la direction opposée (voir Benjamin Franklin).
La figure 2.5 montre ce processus en utilisant une pile alcaline alcaline. Notez que le flux de courant est conservé à travers le circuit, même si la nature du courant à travers le circuit varie selon le courant ionique dans les sections de la batterie, le courant d'électrons ailleurs.
Un dispositif qui maintient une tension constante à travers ses terminaux s'appelle un direct
source de tension actuelle (ou source de tension DC). Une batterie est un exemple de source de tension continue.
Le symbole schématique d'une batterie est
Le mécanisme de la tension
Pour obtenir une image mentale de la façon dont une batterie génère une EMF à travers un circuit, nous envisageons que les réactions chimiques à l'intérieur produisent des électrons libres qui se développent rapidement en nombre dans la région terminale négative (matériau anodique), ce qui provoque une concentration d'électrons.
Cette concentration est pleine de force répulsive (les électrons repoussent) qui peuvent être considérés comme une sorte de "pression électrique". Avec une charge (par exemple, notre lampe de poche, conducteurs, commutateur) placé entre les bornes de la batterie, les électrons de la borne négative de la batterie tenter d'alléger cette pression en se dispersant dans le circuit. Ces électrons augmentent la concentration d'électrons libres à l'extrémité du conducteur attaché à la borne négative. Même une petite différence de pourcentage dans la concentration d'électrons libres dans une région donne lieu à de grandes forces répulsives entre les électrons libres.
La force de répulsion est exprimée sous la forme d'une impulsion apparemment instantanée (proche de la vitesse de la lumière) qui parcourt tout le circuit. Les électrons libres les plus proches des électrons pompés sont rapidement repoussés dans la direction opposée; les prochains électrons voisins sont poussés, et ainsi de suite en ligne, provoquant une réaction en chaîne ou un pouls. Cette impulsion descend le conducteur à proximité de la vitesse de la lumière. Voir la figure 2.6.
Le mouvement physique réel des électrons est en moyenne beaucoup plus lent. En fait, la vitesse de dérive (vitesse nette moyenne des électrons vers la borne positive) est généralement des fractions de millimètre par seconde, par exemple, 0,002 mm / s pour un courant de 0,1-A à travers un fil à calibre 12. Nous associons ce mouvement de dérive d'électrons libres avec le flux de courant ou, plus précisément, le courant de courant conventionnel, je me déplace dans la direction opposée. (Il s'avère que le mouvement réel des électrons est assez complexe, ce qui implique également des effets thermiques, nous allons passer à cela dans la section suivante.)
Il est probable que ces électrons plus loin dans le circuit ne ressentent pas le même niveau de force répulsive, car il peut y avoir un peu de matière dans la manière qui absorbe une partie du flux d'énergie répulsif émanant de la borne négative (absorbant par collisions électron-électron, interactions électron-liaison électronique libre, etc.). Et, comme vous le savez probablement, les circuits peuvent contenir un grand nombre de composants, dont certains sont enterrés profondément dans un réseau complexe de voies. Il est possible d'imaginer que, grâce à certaines de ces voies, les effets répulsifs sont réduits à un faible coup de poing. Nous associons ces régions de «poussée faible» aux régions à faible pression électrique ou à la tension. Les électrons dans ces régions ont peu de potentiel pour faire du travail: ils ont une faible énergie potentielle par rapport à ceux qui sont plus proches de la source des électrons pompés.
La tension représente la différence d'énergie potentielle. Une charge unitaire a été dans un endroit par rapport à l'autre dans une région de «pression électrique» - la pression attribuée aux nouveaux électrons libres qui sont pompés dans le système. La relation entre la tension et la différence d'énergie potentielle est exprimée comme suit:
Implicite dans la définition de la tension est la notion que la tension est toujours une mesure entre deux points, par exemple le point A et le point B. C'est la raison de l'indice "AB" dans VAB
Assurez-vous simplement de vous rappeler que la tension et les variables énergétiques potentielles représentent la différence par rapport à deux points. Comme nous le verrons, toutes les grandes lois de l'électronique supposent généralement que les variables de tension ou d'énergie sont de cette «forme propre».
Dans notre exemple de lampe de poche, nous pouvons calculer la différence d'énergie potentielle entre un électron émanant de la borne négative de la batterie de 1,5 V et l'autre entrant dans la borne positive.
Notez que ce résultat nous donne la différence d'énergie potentielle entre les deux électrons, et non l'énergie potentielle réelle de l'électron émanant de la borne négative (U1) ou de l'électron entrant dans la borne positive (U0). Cependant, si l'on suppose que l'électron entrant dans le terminal positif est à zéro énergie potentielle, on peut penser que l'électron émanant de la borne négative a une énergie potentielle relative de:
Remarque: l'augmentation de l'énergie potentielle positive peut être associée à des coûts similaires se rapprochant. L'énergie décroissante peut être associée à des charges similaires plus éloignées. Nous avons évité l'utilisation d'un signe négatif devant la charge de l'électron, car les tensions sont définies par une charge de test positive. Nous sommes dans un pickle semblable à celui que nous avons vu avec les charges positives de Benjamin Franklin. Tant que nous traitons le potentiel relatif à la concentration d'électrons pompée, les choses fonctionnent.
Dans un vrai circuit, où le nombre d'électrons pompés par la batterie sera assez grand, des centaines à des milliers de trillions d'électrons, en fonction de la résistance au flux d'électrons, nous devons multiplier notre calcul précédent par le nombre total d'électrons entrants. Par exemple, si notre lampe de poche tire 0,1 A, il y aura 6,24 × 1017 électrons pompés par la batterie par seconde, afin de calculer l'énergie potentielle de tous les nouveaux électrons ensemble à environ 0,15 J / s.
Qu'en est-il des énergies potentielles des électrons libres à d'autres endroits dans le circuit, comme ceux du filament de la lampe, ceux du fil positif, ceux du fil négatif, etc.? On peut dire que quelque part dans le filament de la lampe, il y a un électron qui a la moitié de l'énergie potentielle d'un nouvel électron pompé issu de la borne négative de la batterie. Nous attribuons cette énergie plus faible au fait que d'autres électrons libres dans la ligne ont perdu de l'énergie en raison de mécanismes de collision, ce qui entraîne une pression électrique plus faible (action de poussée) que notre électron en question connaît. En fait, dans notre circuit de lampe de poche, nous attribuons toute perte de pression électrique pour être à travers le filament de la lampe car l'énergie des électrons libres est convertie en chaleur et en lumière.
Définition de Volt et de la Loi sur la puissance généralisée
Nous arrivons maintenant à une définition formelle du volt-l'unité de mesure de la tension. En utilisant la relation entre la tension et la différence d'énergie potentielle V = U/q, on définit un volt pour être:
(Notez que l'utilisation de "V" pour une quantité algébrique et une unité de tension est une source potentielle de confusion dans une expression comme V = 1,5 V. La quantité algébrique est en italique.)
Deux points avec une tension de 1 V entre eux ont une "pression" suffisante pour effectuer 1 J de travail tout en déplaçant 1 C de charge entre les points. Par exemple, une batterie idéale de 1,5 V est capable de déplacer 1 C de charge à travers un circuit tout en effectuant une valeur de 1,5 J de travail.
Une autre façon de définir un volt est en termes de puissance, ce qui est plus utile dans l'électronique. Le pouvoir représente la quantité d'énergie par seconde dans l'alimentation d'un circuit. Selon la conservation de l'énergie, nous pouvons dire que la puissance utilisée pour conduire un circuit doit être égale à la puissance utilisée par le circuit pour faire du travail utile plus la puissance gaspillée, comme dans le cas de la chaleur. En supposant qu'un seul électron perd toute son énergie potentielle de passer par un circuit de borne négative à positive, nous disons, pour des raisons d'argument, que toute cette énergie doit être convertie en travail utile et gaspillée (chaleur). Par définition, le pouvoir est mathématiquement exprimé par dW / dt. Si nous substituons l'expression d'énergie potentielle U = Vq pour W, en supposant que la tension est constante (par exemple, la tension de la batterie), nous obtenons ce qui suit:
En termes de puissance, alors, le volt est défini comme suit:
Répondre:
Répondre:
Combinaison de piles
Pour obtenir une plus grande tension capable de fournir plus de puissance, nous pouvons placer deux batteries en série (bout à bout), comme le montre la figure 2.10. La tension à travers la combinaison est égale aux tensions de batterie individuelles ajoutées ensemble. Essentiellement, nous avons placé deux pompes de charge en série, augmentant ainsi la pression électrique effective. Chimiquement parlant, si les piles sont de même tension, nous doublons le nombre de réactions chimiques, doublant le nombre d'électrons qui peuvent être pompés dans le circuit. Sur la figure 2.10, nous utilisons la notion de référence au sol ou de référence 0-V.
Bien que ce symbole soit utilisé pour représenter une terre (ce que nous définissons un peu plus tard), il peut également être utilisé pour indiquer le point où toutes les mesures de tension doivent être
Bien que ce symbole soit utilisé pour représenter une terre (ce que nous définissons un peu plus tard), il peut également être utilisé pour indiquer le point où toutes les mesures de tension doivent être
référencé dans un circuit. Logiquement, chaque fois que vous créez une échelle de mesure, vous choisissez le point le plus bas de la balance pour être zéro-0 V ici. Pour la plupart des circuits en courant continu, le point de référence au sol est habituellement placé à la borne négative de la source de tension. Avec la notion de point de référence au sol, nous obtenons également la notion de tension ponctuelle, qui est la tension mesurée entre la référence au sol et un point d'intérêt spécifique dans le circuit. Par exemple, la batterie unique représentée sur la figure 2.10 a une tension de 1,5 V. Nous plaçons une référence de terre à la borne négative et donnons une tension de point de 0 V et placons un marqueur de tension de 1,5 V à la borne positive . Au centre de la figure 2.10, nous avons deux batteries de 1,5 V en série, ce qui donne une tension combinée de 3,0 V. Un sol placé à la borne négative de la batterie inférieure nous donne des tensions de point de 1,5 V entre les batteries et 3,0 V à la borne positive de la batterie supérieure. Une charge placée entre le sol et 3,0 V entraînera un courant de charge qui revient au terminal négatif de la batterie inférieure.
Enfin, il est possible de créer une alimentation partagée en reposant simplement sur la référence au sol 0-V, en la plaçant entre les batteries. Cela crée des fils +1.5 V et -1.5 V par rapport à la référence 0-V. De nombreux circuits nécessitent une tension positive et négative par rapport à une référence au sol 0-V. Dans ce cas, la référence au sol 0-V sert de retour commun. Ceci est souvent nécessaire, par exemple, dans un circuit audio, où les signaux sont sinusoïdaux et alternent entre la tension positive et négative par rapport à une référence 0-V.
Autres sources de tension
Il existe d'autres mécanismes en dehors des réactions chimiques dans les batteries qui donnent naissance à une force électromotrice qui pousse des électrons à travers des circuits. Quelques exemples incluent l'induction magnétique, l'action photovoltaïque, l'effet thermoélectrique, l'effet piézoélectrique et l'effet électrique statique. L'induction magnétique (utilisée dans les générateurs électriques) et l'action photovoltaïque (utilisée dans les photocellules), ainsi que les réactions chimiques, sont cependant les seuls mécanismes de ceux qui fournissent une puissance suffisante pour conduire la plupart des circuits.
Les effets thermoélectriques et piézoélectriques sont généralement très faibles (gamme MV, typiquement) qu'ils sont limités aux applications de type capteur. L'effet électrique statique est basé sur la fourniture d'objets, tels que des conducteurs et des isolateurs, un surplus de charge. Bien que les tensions puissent devenir très élevées entre les objets chargés, si un circuit était connecté entre les objets, une décharge dangereuse de courant pourrait s'écouler, ce qui pourrait endommager les circuits sensibles. En outre, une fois la décharge terminée - une question de millisecondes - il n'y a plus de courant pour alimenter le circuit. L'électricité statique est considérée comme une nuisance dans l'électronique, pas une source de puissance utile. Nous discuterons de tous ces différents mécanismes plus en détail tout au long du livre.
Analogies d'eau
Il est souvent utile d'utiliser une analogie de l'eau pour expliquer la tension. Dans la figure 2.11, nous traitons une source de tension continue comme une pompe à eau, des fils comme des tuyaux, des charges positives de Benjamin Franklin comme de l'eau et un flux de courant conventionnel comme le flux d'eau. Une charge (résistance) est traitée comme un réseau de particules stationnaires absorbant la force qui limitent le débit d'eau. Nous vous laissons comparer les similitudes et les différences.
Voici une autre analogie de l'eau qui repose sur la gravité pour fournir la pression. Bien que cette analogie soit insuffisante à bien des égards, elle démontre au moins comment une plus grande tension (plus grande pression d'eau) peut entraîner un flux de courant plus important.
Il n'est pas sage de se concentrer trop sur ces analogies de l'eau: ils ne sont pas vraiment analogues aux circuits électriques. Prenez-les avec un grain de sel. La prochaine section prouvera la réalité.
Exemple 1: Trouver la tension entre les différents points indiqués dans les figures suivantes. Par exemple, la tension entre les points A et B de la figure 2.13a est de 12 V.
Exemple 2: Trouver les tensions ponctuelles (référencées sur terre) aux différents emplacements indiqués dans les figures suivantes.
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