Électricité/Les dipôles : générateurs et récepteurs

Le passage du courant dans un solide : la résistance

Tout circuit électrique contient des composants électriques assez variés. Les plus courants possèdent deux bornes, deux broches métalliques sur lesquelles on peut brancher un fil (ou autre conducteur). Ils sont appelés des dipôles électriques. On peut les classer en deux types, selon qu'ils fabriquent de l'électricité ou qu'ils en consomment.

Les récepteurs sont des composants qui se laissent traverser par le courant engendré par le générateur. La quasi-totalité utilisent l'énergie transportée par le courant pour faire quelque chose d'utile. Prenons par exemple une lampe : elle transforme l'énergie du courant en lumière. Même chose pour un moteur, qui utilise le courant pour faire tourner quelque chose. Et ainsi de suite. À côté, on trouve des récepteurs qui transforment toute l'énergie qu'ils utilisent en chaleur.
À l'inverse, un générateur sert de source d'énergie et permet à un courant de circuler dans un circuit bien conçu. Pour donner des exemples de générateurs, on pourrait citer les piles, batteries ou autres générateurs de tension/courant. Un générateur peut soit créer une tension, soit un courant, ce qui distingue les générateurs de tension des générateurs de courants.

Électricité

La physique de l’électricité

Les circuits électriques

Le régime continu et les circuits résistifs/linéaires

Le régime transitoire : bobines et condensateurs

Le régime alternatif

Annexes

Notions de sécurité électrique

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Le passage du courant dans un solide : la résistance

Les circuits série et parallèles

Récepteurs
Récepteur	Transformation de l'énergie
Résistance thermique ou fil chauffant	Énergie électrique -> chaleur/énergie thermique
Piles rechargeables et batteries (en cours de chargement)	Énergie électrique -> énergie chimique
Moteur électrique	Énergie électrique -> énergie cinétique (mouvement)

Générateurs
Générateur	Transformation de l'énergie
Piles et batteries (en cours de fonctionnement)	Énergie chimique -> énergie électrique
Dynamos et alternateurs (inverse des moteurs)	Énergie cinétique (mouvement) -> énergie électrique
Cellules photovoltaïques	Énergie lumineuse -> énergie électrique

La caractéristique courant-tension

Caractéristique tension-intensité d'un récepteur quelconque, qui n'est pas affine ou linéaire.

Pour les composants simples, on peut faire la différence entre récepteurs et générateurs en se basant sur la relation entre tension et intensité à leurs bornes. Pour chaque composant, on peut établir un graphique avec l'intensité en abscisse et la tension en ordonnée. Ce graphique est appelé la caractéristique tension-intensité du composant. Celle-ci permet de savoir si un composant est un récepteur ou un générateur, et bien d'autres choses. De plus, elle permet de classer les composants en composants actifs/passifs, linéaires/non-linéaires, symétriques/asymétriques. Voici ci-dessous quelques exemples de caractéristiques tension-courant, pour divers composants que nous étudierons dans les prochains chapitres. On peut voir que toutes ne se ressemblent pas. Nous les avons classées selon deux critères : récepteurs/générateurs sur les lignes, et droite/pas droite sur les colonnes.

	Relation affine/linéaire	Relation non-affine
Récepteurs	Resistance.	Diode Zener.
Générateurs	Batterie.	Cellule photoélectrique.

Dipôles actifs et passifs

On peut classer les récepteurs selon plusieurs critères, le premier étant leur caractère passif ou actif.

Les récepteurs actifs peuvent amplifier la puissance du courant qui les traverse, ce qui signifie qu'ils peuvent en augmenter la tension ou l'intensité. Ils peuvent donc ajouter de l'énergie au courant qui les traverse, bien que ce ne soit pas systématique.
À l'inverse, les récepteurs passifs ne le peuvent pas et vont même consommer une partie de la puissance du courant pour fonctionner. Bizarrement, ces récepteurs passifs sont de loin les plus utilisés dans les circuits électriques actuels.

Les dipôles passifs usuels

Relations entre grandeurs électriques pour chaque récepteur passif.

Les récepteurs passifs sont chacun décrit par une équation reliant deux grandeurs électriques parmi les suivantes : tension, intensité, charge électrique et flux magnétique. Quatre équations sont possibles, ce qui donne les quatre composants de base que sont la résistance, la bobine, le condensateur et le memristor. Dans ce qui va suivre, nous allons nous concentrer sur plusieurs composants de base : la résistance, la bobine et le condensateur. Les équations de ces composants sont les suivantes :

Composant	Equation
Résistance	$U=R\times I$
Bobine	$U=L\times {\frac {dI}{dt}}$
Condensateur	$I=C\times {\frac {dU}{dt}}$

Nous verrons ces composants plus en détail dans les chapitres qui vont suivre.

Relation avec la caractéristique U-I

Quadrants du graphique U-I. Attention : les abscisses et ordonnées sont inversées, avec le courant en ordonnées et la tension en abscisse !

Le caractère passif ou actif d'un récepteur se voit sur sa caractéristique courant-tension. En effet, on peut subdiviser le graphique en quatre, en coupant au niveau des abscisses et ordonnées. Ces quarts représentent :

soit une tension et une intensité positive (haut à droite) ;
soit une tension et une intensité négative (bas à gauche) ;
soit une tension positive et une intensité négative (haut à gauche) ;
soit une tension négative et une intensité positive (bas à droite).

Si on fait le produit $U\cdot I$ , on s’aperçoit que deux quadrants correspondent à une puissance positive, et les deux autres à une puissance négative. Quand un composant est dans un quadrant à puissance positive, il consomme de la puissance pour fonctionner : c'est un dipôle passif, ou encore un récepteur. S'il est dans les deux autres quadrants, c'est un dipôle actif, ou encore un générateur. Ainsi, les composants dont la caractéristique reste dans les quadrants haut+droit et bas-gauche sont des récepteurs purs. Ceux qui restent dans les quadrants bas-droite et haut-gauche sont des générateurs. Il existe des composants qui peuvent être dans les quatre quadrants, mais ils sont une minorité, alors que les autres ne traversent que deux quadrants seulement.

Dipôles linéaires et non-linéaires

Si vous regardez la caractéristique d'une résistance ou d'une batterie, vous remarquerez qu'elle est une droite. Dans ce cas, le composant est appelé un dipôle linéaire. Selon que la droite passe par l'origine, on distingue :

Les dipôles ohmiques, aussi appelés résistances, pour lesquelles la droite passe par l'origine et où : $U=R\cdot I$ . Ces dipôles ohmiques sont fabriqués avec des conducteurs, ce qui leur permet de respecter la loi d'Ohm, au moins approximativement.
Les dipôles linéaires non-ohmiques, pour lesquels la droite ne passe pas par l'origine et où : $U=R\cdot I+U_{0}$ . C'est le cas pour les batteries ou certains générateurs. Même si la droite ne passe pas par l'origine, le composant est quand même dit linéaire, bien que la fonction U = f(I) ne l'est pas ! Il s'agit d'un abus de langage qui est malheureusement assez commun.

Les dipôles linéaires sont à opposer aux dipôles non-linéaires, pour lesquels la caractéristique U-I est une courbe. Généralement, ils sont fabriqués avec des semi-conducteurs, ce qui explique que la loi d'Ohm ne s'applique pas pour eux. Mais il faut noter qu'ils se comportent comme une résistance pour des tensions ou des courants assez faibles. En clair, il y a une portion de leur caractéristique qui est approximativement une droite. Tel est le cas pour certains transistors ou certaines diodes, qui se comportent comme des résistances tant que la tension ou le courant est faible.

Résistances statiques et dynamiques

Résistance statique et dynamique au point A. La courbe B représente la résistance statique, alors que la courbe C représente la résistance dynamique.

Pour les résistances, le rapport entre U et I est appelé la résistance, en lien avec la résistance d'un matériau (ou d'un composant, comme on le verra dans quelques chapitres). Il est possible de définir des ratios similaires pour les composants non-linéaires. Ceux-ci sont appelés la résistance statique et dynamique. Dans les deux cas, ces deux valeurs sont définies pour chaque point de la courbe U-I. Il faut donc prendre un point de la courbe pour définir les résistances statique et dynamique. Celles-ci sont notée $R_{s}$ et $R_{d}$ dans ce qui suit. Celles-ci sont définies par :

R_{s}={\frac {U}{I}}

R_{d}={\frac {dU}{dI}}

Les deux sont égaux pour les résistances, mais ne le sont pas pour les autres dipôles. Pour les dipôles linéaires non-ohmiques, on peut calculer les résistances statiques et dynamiques assez facilement. En dérivant la première expression, on peut trouver la résistance dynamique, qui est égale à $R$ . Pour la résistance statique, il suffit de diviser par I. Cela donne :

R_{d}=R

R_{s}=R+{\frac {U_{0}}{I}}

Dipôles symétriques et asymétriques

Enfin, il faut parler du fait que certains dipôles ont un sens, alors que d'autres non. Certains dipôles n'ont pas de sens, ce qui fait qu'on peut les brancher dans le sens que l'on veut dans un circuit. Ces dipôles ont une particularité : leur caractéristique tension/intensité est symétrique par rapport à l'origine. Ce qui fait qu'ils portent le nom de dipôles symétriques.

Les dipôles qui ont un sens s’insèrent dans un circuit d'une certaine façon, mais ne fonctionnent pas quand on inverse leur sens. Ils ont une borne d'entrée et une borne de sortie, qui indiquent leur sens. Contrairement aux dipôles symétriques, leur caractéristique tension/intensité n'est pas symétrique par rapport à l'origine. Ils portent naturellement le nom de dipôles asymétriques.