Trois paramètres fondamentaux-Résistance, inductance et capacité

Les résistances (R), les inductances (L) et les condensateurs (C) sont les trois composants principaux et paramètres de base de tous les circuits. Aucun circuit électrique ne peut fonctionner sans au moins l’un d’entre eux. Il convient de noter que les éléments de circuit idéaux sont différents des composants physiques réels. Un élément de circuit est un modèle idéal simplifié conçu pour représenter une caractéristique électrique spécifique d'un appareil physique. En bref, des symboles standardisés sont utilisés dans les schémas de circuits pour refléter les propriétés électriques des équipements et composants réels. Par exemple, les appareils de chauffage tels que les charges résistives, les fours électriques et les résistances chauffantes peuvent tous être représentés par le modèle d'élément résistif dans l'analyse de circuit.

 

Néanmoins, certains appareils électriques ne peuvent pas être modélisés par un seul élément de circuit. Les enroulements de moteur constituent un exemple typique. Essentiellement des structures de bobines, les enroulements peuvent être représentés par un inducteur. Cependant, ils s’accompagnent également d’une résistance inhérente. Pour cette raison, une résistance doit être ajoutée pour refléter cette propriété résistive. En conséquence, lors de la construction d'un modèle de circuit pour les enroulements de moteur, ceux-ci sont exprimés sous la forme d'une combinaison en série de résistance et d'inductance.

 

La résistance est le paramètre électrique le plus simple et le plus intuitif. Conformément à la loi d'Ohm, sa formule de calcul est (R=U/I). Dans un circuit, la résistance agit comme un obstacle à la circulation du courant. Plus la valeur de la résistance est élevée, plus son inhibition du courant électrique est forte. Puisque les caractéristiques de la résistance sont relativement simples, nous allons passer à l’inductance et à la capacité.

 

1. Que sont l'inductance et la capacité ?

Comme mentionné ci-dessus, l'inductance et la capacité, tout comme la résistance, sont des paramètres et des composants essentiels du circuit, mais elles adoptent des unités de mesure différentes.

 

L'inductance est désignée par la lettreL, à l'unité du henry (H). Il définit la capacité d'une bobine à générer un champ magnétique. En d’autres termes, lorsque le courant d’entrée reste constant, une bobine avec une plus grande inductance produira un champ magnétique plus puissant. Par comparaison, la résistance caractérise l'opposition d'un composant au courant. Sous une tension fixe, une résistance plus élevée entraîne un courant de fonctionnement plus faible.

 

La capacité est marquée de la lettreC, mesuré en farads (F). Il décrit la capacité d'un condensateur à stocker une charge électrique et de l'énergie électrique. Avec une tension appliquée constante, un condensateur de plus grande capacité peut stocker plus d’énergie électrique.

 

De même, les composants inductifs possèdent également des capacités de stockage d’énergie. Un champ magnétique plus fort transporte une plus grande énergie magnétique. Étant donné que les champs magnétiques contiennent de l’énergie, ils peuvent exercer une force mécanique sur les aimants proches et effectuer un travail sur ceux-ci.

 

2. La relation entre l'inductance, la capacité et la résistance

Essentiellement, l’inductance et la capacité n’ont aucune corrélation inhérente avec la résistance et leurs unités de mesure sont entièrement indépendantes. Cette distinction devient cependant importante dans les circuits à courant alternatif (AC).

 

Dans les circuits à courant continu (CC), les inductances fonctionnent comme des courts-circuits, tandis que les condensateurs agissent comme des circuits ouverts. Dans les circuits alternatifs, néanmoins, les inductances et les condensateurs génèrent une opposition au courant dépendant de la fréquence. Ce type d'effet limitant le courant-n'est pas appelé résistance, mais réactance, représentée par le symbole X. L'opposition réactive produite par un inducteur est définie comme réactance inductive ((XL)), et celle générée par un condensateur est une réactance capacitive ((XC)).

 

Les réactances inductive et capacitive partagent la même unité que la résistance : l’ohm. Les trois quantités inhibent la circulation du courant dans les circuits. La principale différence réside dans la dépendance à la fréquence : la résistance reste constante quelle que soit la fréquence, tandis que les réactances inductives et capacitives changent à mesure que la fréquence fluctue. Fondamentalement, la réactance dans les circuits CA résulte d'une variation continue de l'énergie provoquée par les changements de tension et de courant.

 

Pour les inducteurs, le courant fluctuant entraîne des changements continus dans leurs champs magnétiques et leur énergie stockée. Conformément à la loi de l'induction électromagnétique, un champ magnétique induit contrecarre toujours les modifications du champ magnétique d'origine. À mesure que la fréquence de fonctionnement augmente, cet effet contre-actif s'intensifie, ce qui entraîne une réactance inductive plus élevée.

 

Lorsque la tension aux bornes d’un condensateur fluctue, la charge électrique sur ses plaques se déplace en conséquence. Plus la tension change rapidement, plus la charge se déplace rapidement et intensément entre les plaques. Le flux dirigé de charge électrique est exactement le courant électrique. En termes simples, des variations de tension plus rapides produisent un courant capacitif plus important, ce qui signifie une inhibition du courant plus faible par le condensateur et une réactance capacitive plus faible.

 

En conclusion, la réactance inductive est directement proportionnelle à la fréquence, tandis que la réactance capacitive est inversement proportionnelle à la fréquence.

 

3. Différences de puissance entre inductance, capacité et résistance

Les éléments résistifs consomment de l'énergie en permanence dans les circuits CC et CA, où la tension et le courant restent parfaitement en phase. Le diagramme de courbe ci-dessous illustre les caractéristiques de tension, de courant et de puissance d'une résistance dans un circuit alternatif. Comme le montre le graphique, la puissance résistive est toujours supérieure ou égale à zéro, ce qui indique que les résistances absorbent et consomment constamment de l'énergie électrique.

 

 

Dans les circuits alternatifs, la puissance dissipée par les résistances est appelée puissance moyenne, ou plus communément puissance active, désignée par la lettre majuscule P. La puissance active reflète exclusivement la consommation énergétique des composants électriques. Pour tout appareil qui consomme de l’électricité, la puissance active quantifie l’ampleur et le taux de sa perte d’énergie.

 

En revanche, les inductances et les condensateurs ne consomment aucune énergie électrique nette. Ils stockent et libèrent de l’énergie uniquement de manière cyclique. Les inducteurs absorbent l’énergie électrique et la convertissent en énergie de champ magnétique, puis libèrent l’énergie magnétique stockée en énergie électrique au cours d’un cycle répété. De même, les condensateurs convertissent l’énergie électrique entrante en énergie de champ électrique, puis déchargent cette énergie dans le circuit sous forme d’électricité.

Cet échange d'énergie cyclique entre les composants et l'alimentation électrique n'implique aucune consommation d'énergie réelle et ne peut donc pas être quantifié par la puissance active. Pour définir cette forme particulière d’échange de puissance, les physiciens ont introduit le concept de puissance réactive, représentée par la lettre majuscule Q.

 

La puissance active et la puissance réactive relèvent de la définition de « puissance », qui décrit le taux de transfert ou de conversion d’énergie. La puissance active reflète la rapidité avec laquelle une résistance consomme de l'énergie électrique. Par exemple, une ampoule de 100 watts consomme de l’énergie deux fois plus vite qu’une ampoule de 50 watts.

La puissance réactive, en revanche, mesure le taux d’échange d’énergie cyclique entre les composants inductifs/capacitifs et le réseau électrique. Il est essentiel de mettre l’accent sur le terme échange d’énergie. Une puissance réactive plus élevée signifie que les inductances et les condensateurs tirent davantage d'énergie alternative de l'alimentation électrique, même si cette énergie n'est utilisée que pour le stockage et la libération périodiques, plutôt que d'être consommée.