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En 1845, le physicien allemand Gustav Kirchhoff a décrit pour la première fois deux lois qui sont devenues essentielles à l’ingénierie électrique. La loi du courant de Kirchhoff, également appelée loi de la jonction de Kirchhoff, et la première loi de Kirchhoff, définissent la manière dont le courant électrique est distribué lorsqu’il traverse une jonction, un point où trois conducteurs ou plus se rencontrent. En d’autres termes, les lois de Kirchhoff stipulent que la somme de tous les courants quittant un nœud d’un réseau électrique est toujours égale à zéro.
Ces lois sont extrêmement utiles dans la vie réelle car elles décrivent la relation entre les valeurs des courants qui passent par un point de jonction et les tensions dans une boucle de circuit électrique. Elles décrivent comment le courant électrique circule dans les milliards d’appareils et de dispositifs électriques, ainsi que dans les foyers et les entreprises, qui sont utilisés en permanence sur Terre.
Les lois de Kirchhoff : L’essentiel
Plus précisément, les lois stipulent :
La somme algébrique du courant dans toute jonction est égale à zéro.
Comme le courant est le flux d’électrons dans un conducteur, il ne peut pas s’accumuler à une jonction, ce qui signifie que le courant est conservé : Ce qui entre doit sortir. Imaginez un exemple bien connu de jonction : une boîte de jonction. Ces boîtes sont installées sur la plupart des maisons. Ce sont les boîtes qui contiennent le câblage à travers lequel toute l’électricité de la maison doit circuler.
Lors des calculs, le courant qui entre et sort de la jonction a généralement des signes opposés. Vous pouvez également énoncer la loi actuelle de Kirchhoff comme suit :
La somme des courants entrant dans une jonction est égale à la somme des courants sortant de la jonction.
Vous pouvez en outre décomposer les deux lois de manière plus spécifique.
La loi actuelle de Kirchhoff
Sur la photo, on voit une jonction de quatre conducteurs (fils). Les courants v2 et v3 entrent dans la jonction, tandis que v1 et v4 en sortent. Dans cet exemple, la règle de jonction de Kirchhoff donne l’équation suivante :
v2 + v3 = v1 + v4
La loi de Kirchhoff sur la tension
La loi de Kirchhoff sur la tension décrit la distribution de la tension électrique dans une boucle, ou chemin conducteur fermé, d’un circuit électrique. La loi de Kirchhoff sur la tension stipule que
La somme algébrique des différences de tension (potentiel) dans une boucle doit être égale à zéro.
Les différences de tension comprennent celles associées aux champs électromagnétiques (CEM) et aux éléments résistifs, tels que les résistances, les sources d’alimentation (batteries, par exemple) ou les appareils – lampes, téléviseurs et mélangeurs – branchés sur le circuit. Imaginez que la tension monte et descend au fur et à mesure que vous vous déplacez dans les différentes boucles du circuit.
La loi de Kirchhoff sur la tension est due au fait que le champ électrostatique à l’intérieur d’un circuit électrique est un champ de force conservateur. La tension représente l’énergie électrique dans le système, il faut donc la considérer comme un cas spécifique de conservation de l’énergie. Lorsque vous faites le tour d’une boucle, le point de départ a le même potentiel qu’au début, donc toute augmentation ou diminution le long de la boucle doit s’annuler pour un changement total de zéro. Dans le cas contraire, le potentiel au point de départ/fin aurait deux valeurs différentes.
Signes positifs et négatifs dans la loi de Kirchhoff sur la tension
L’utilisation de la règle de la tension nécessite la signature de certaines conventions, qui ne sont pas nécessairement aussi claires que celles de la règle actuelle. Choisissez une direction (sens des aiguilles d’une montre ou sens inverse) pour suivre la boucle. Lorsque l’on passe du positif au négatif (+ à -) dans un EMF (source d’énergie), la tension chute, donc la valeur est négative. Lorsque l’on passe du négatif au positif (- au +), la tension augmente, donc la valeur est positive.
N’oubliez pas que lorsque vous vous déplacez dans le circuit pour appliquer la loi de Kirchhoff sur la tension, assurez-vous de toujours aller dans la même direction (dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse) pour déterminer si un élément donné représente une augmentation ou une diminution de la tension. Si vous commencez à sauter autour, en vous déplaçant dans des directions différentes, votre équation sera incorrecte.
Lorsque l’on croise une résistance, la variation de tension est déterminée par la formule :
I*R
où I est la valeur du courant et R est la résistance de la résistance. Le croisement dans le même sens que le courant signifie que la tension baisse, sa valeur est donc négative. Lorsqu’elle croise une résistance dans le sens opposé au courant, la valeur de la tension est positive, donc elle augmente.
Application de la loi Kirchhoff sur la tension
Les applications les plus fondamentales des lois Kirchhoff concernent les circuits électriques. Vous vous rappelez peut-être de la physique du collège que l’électricité dans un circuit doit circuler dans une direction continue. Si vous éteignez un interrupteur, par exemple, vous coupez le circuit, et donc la lumière. Si vous appuyez de nouveau sur l’interrupteur, vous réactivez le circuit et les lumières se rallument.
Ou encore, pensez à accrocher des lumières sur votre maison ou votre arbre de Noël. Si une seule ampoule s’éteint, c’est toute la guirlande qui s’éteint. C’est parce que l’électricité, arrêtée par la lampe cassée, n’a nulle part où aller. C’est comme si on éteignait l’interrupteur et qu’on coupait le circuit. L’autre aspect de cette question, en ce qui concerne les lois de Kirchhoff, est que la somme de toute l’électricité entrant et sortant d’une jonction doit être égale à zéro. L’électricité qui entre dans la jonction (et qui circule dans le circuit) doit être égale à zéro parce que l’électricité qui entre doit aussi sortir.
Ainsi, la prochaine fois que vous travaillerez sur votre boîte de jonction ou que vous observerez un électricien en train de le faire, d’allumer ou d’éteindre votre télévision ou votre ordinateur, rappelez-vous que Kirchhoff a décrit pour la première fois comment tout cela fonctionne, inaugurant ainsi l’ère de l’électricité.
