Grandeurs électriques – d’où viennent les unités de mesure et que signifient-elles ?

L’électronique est un domaine dans lequel de nombreuses grandeurs physiques et unités de mesure fondamentales sont utilisées au quotidien. Elles permettent de décrire le fonctionnement des circuits, d’effectuer des mesures et de concevoir des équipements électroniques. Parmi les notions les plus importantes figurent notamment la tension électrique (U), l’intensité du courant électrique (A), la résistance électrique, la puissance, la capacité électrique ainsi que l’inductance.

Il convient de savoir que les unités de mesure modernes du Système international d’unités (SI) ne sont pas apparues par hasard. Nombre d’entre elles portent le nom de scientifiques ayant apporté une contribution majeure au développement de la physique et du génie électrique. Aujourd’hui, la plupart des mesures reposent sur le Système international d’unités (SI), qui organise les unités de base ainsi que les unités dérivées du système.

Qu’est-ce que le Système international d’unités (SI) ?

Le SI est le Système international d’unités, c’est-à-dire le système d’unités universellement utilisé pour mesurer les grandeurs physiques. Il a été élaboré afin de garantir que les résultats de mesure soient sans ambiguïté et aussi comparables que possible dans le monde entier.

Le Système international d’unités (SI) repose sur 7 unités de base :

À partir de ces unités, il est possible de définir des unités dérivées, par exemple :

• tension électrique – volt (V),
• puissance – watt (W),
• résistance électrique – ohm (Ω),
• capacité électrique – farad (F).

Le Système international d’unités (SI) utilise également des préfixes qui facilitent l’écriture de valeurs très grandes ou très petites, par exemple :

• kilo (k) = 1 000,
• méga (M) = 1 000 000,
• milli (m) = 0,001,
• micro (µ) = 0,000001,
• nano (n) = 0,000000001.

Exemple :

• 2 km = 2000 m,
• 5 ms = 0,005 s,
• 3 MW = 3 000 000 W.

Le Système international d’unités (SI) constitue aujourd’hui la norme dans les domaines de la science, de la technique, de la médecine et dans la majorité des pays du monde, ce qui permet à chacun d’utiliser les mêmes unités lors de la réalisation et de la comparaison des mesures.

D’où proviennent les noms des unités utilisées en électronique ?

De nombreuses unités utilisées en électronique et en génie électrique portent le nom de scientifiques éminents ayant contribué de manière significative au développement de l’électricité, du magnétisme et de l’électronique.

Ampère (A) – André-Marie Ampère. Physicien et mathématicien français, considéré comme l’un des fondateurs de l’électrodynamique. Il a étudié les relations entre le courant électrique et le champ magnétique.

Volt (V) – Alessandro Volta. Physicien italien, inventeur de la première pile électrique, appelée pile de Volta. Ses travaux ont contribué au développement du génie électrique.

Ohm (Ω) – Georg Simon Ohm. Physicien et enseignant allemand. Il a formulé la loi d’Ohm décrivant la relation entre la tension, l’intensité du courant et la résistance.

Watt (W) – James Watt. Inventeur et ingénieur mécanicien écossais. Il a perfectionné la machine à vapeur, contribuant ainsi au développement de l’industrie et de l’énergie.

Farad (F) – Michael Faraday. Physicien et chimiste anglais. Il a découvert le phénomène d’induction électromagnétique et posé les bases du fonctionnement des transformateurs et des moteurs électriques.

Henry (H) – Joseph Henry. Physicien américain spécialisé dans l’étude de l’électromagnétisme. Indépendamment de Faraday, il a découvert le phénomène d’induction électromagnétique et a contribué au développement des électroaimants.

Hertz (Hz) – Heinrich Hertz. Physicien allemand qui a été le premier à démontrer expérimentalement l’existence des ondes électromagnétiques prédites par James Clerk Maxwell.

Coulomb (C) – Charles-Augustin de Coulomb. Physicien et ingénieur militaire français. Il a étudié les interactions entre les charges électriques et a formulé la loi de Coulomb.

Tesla (T) – Nikola Tesla. Inventeur et ingénieur électricien et mécanicien serbo-américain. Il a développé de nombreuses solutions liées au courant alternatif (AC), aux moteurs électriques et au transport de l’énergie.

Unités de base du Système international d’unités (SI) :

1. Longueur :
   Unité : mètre (m).
   Définition : définit la distance entre deux points et permet de décrire les dimensions d’un objet.
   Exemple : Un stylo a une longueur de 15 cm, soit 0,15 m.
2. Masse :

Unité : kilogramme (kg).
Définition : définit la quantité de matière contenue dans un corps, c’est-à-dire indique à quel point un objet est « lourd ».
Exemple : Un sac scolaire a une masse de 5 kg.

3. Temps :
   Unité : seconde (s).
   Définition : définit la durée d’un phénomène ou l’intervalle entre deux événements ; elle permet de mesurer combien de temps quelque chose dure.
   Exemple : Un clignement d’œil dure environ 0,3 s.
4. Intensité du courant électrique :
   Unité : ampère (A).
   Définition : définit la quantité de charge électrique traversant un conducteur par unité de temps et indique l’importance du flux de courant.
   Exemple : Un courant d’une intensité de 5 A circule dans un conducteur, ce qui signifie qu’une charge de 5 coulombs le traverse chaque seconde.

5. Température thermodynamique :

Unité : kelvin (K).
Définition : définit le degré d’échauffement d’un corps et indique si un objet est chaud ou froid.
Exemple : La température ambiante est d’environ 293 K (20 °C).

6. Quantité de matière :

Unité : mole (mol).
Définition : définit le nombre de particules (atomes, molécules, etc.) présentes dans une substance ; elle sert à dénombrer de très grandes quantités de particules.
Exemple : 1 mole d’eau contient environ 6,02 × 10²³ molécules d’eau.

7. Intensité lumineuse :

Unité : candela (cd).
Définition : définit l’intensité de la lumière émise dans une direction donnée et indique la puissance lumineuse d’une source de lumière.
Exemple : Une bougie allumée possède une intensité lumineuse d’environ 1 candela (1 cd).

Tension électrique (U) – qu’est-ce que c’est ?

Le plus simplement, la tension électrique (U) est la force qui « pousse » le courant électrique à circuler dans un circuit. On peut la comparer à l’eau dans une conduite :

• le courant électrique correspond à l’eau qui circule dans la conduite,
• la tension correspond à la pression qui pousse cette eau.

Plus la pression est élevée, plus l’eau circule facilement et rapidement. Il en va de même en électricité : plus la tension est élevée, plus la capacité à faire circuler le courant est importante.

Exemple de la vie quotidienne : imaginez un ballon rempli d’air. Si vous y faites un petit trou, l’air commencera à s’échapper, car la pression à l’intérieur est plus élevée qu’à l’extérieur. La tension électrique fonctionne de manière similaire : les électrons se déplacent d’un point de potentiel plus élevé vers un point de potentiel plus faible, créant ainsi un courant électrique.

Dans quelle unité mesure-t-on la tension ?

L’unité de la tension électrique est le volt (V).

Exemples :

• pile AA – 1,5 V,
• port USB – 5 V,
• batterie automobile – 12 V,
• prise électrique domestique – 230 V.

Pourquoi la tension est-elle importante ?

Sans tension, le courant ne disposerait pas de la « force motrice » nécessaire pour circuler. C’est la tension qui permet le fonctionnement des appareils électriques tels que : le téléphone, l’ordinateur portable, le téléviseur, le réfrigérateur ou encore l’éclairage.

Tension électrique – comment effectuer une mesure de tension ?

La tension électrique se mesure à l’aide d’un voltmètre.

L’appareil de mesure se raccorde en parallèle à l’élément ou à la source de tension à contrôler. Le résultat est exprimé en volts (V).

Par exemple, pour vérifier la tension d’une pile AA, les sondes du voltmètre sont placées sur ses bornes. La valeur mesurée peut être d’environ 1,5 V.

Où l’intensité du courant électrique (I) est-elle utilisée ?

L’intensité du courant électrique définit la quantité de charges électriques qui traversent un conducteur pendant un temps donné. Il s’agit de l’une des grandeurs fondamentales utilisées pour caractériser le courant électrique. Plus le flux de charges électriques est important, plus l’intensité du courant est élevée.

En pratique, le courant électrique peut être comparé à l’écoulement de l’eau dans des canalisations. Plus la quantité d’eau qui traverse une conduite en une seconde est importante, plus le débit est élevé. De manière analogue, plus la quantité de charge électrique qui se déplace à travers un conducteur pendant le même intervalle de temps est importante, plus l’intensité du courant est élevée.

L’unité de l’intensité du courant électrique est l’ampère (A). Il s’agit de l’une des sept unités de base du Système international d’unités (SI).

On rencontre souvent l’expression courant électrique en ampères, qui fait référence à la mesure de l’intensité du courant exprimée en ampères. La connaissance de cette grandeur est indispensable partout où sont analysées les mesures du courant, les mesures du courant électrique ainsi que les paramètres des équipements électroniques.

Comment mesurer l’intensité du courant électrique ?

L’intensité du courant électrique se mesure à l’aide d’un ampèremètre. L’appareil de mesure se raccorde en série dans le circuit afin que l’intégralité du courant traverse l’instrument de mesure. Le résultat est exprimé en ampères (A).

Exemple : lors de la recharge d’un téléphone, il est possible de mesurer que le chargeur fournit un courant d’une intensité de 2 A.

Résistance (R) et résistance électrique – en quoi consistent-elles ?

La résistance (ou résistance électrique) définit dans quelle mesure un composant s’oppose au passage du courant électrique.

L’unité de la résistance électrique est l’ohm (Ω).

En pratique, la mesure de la résistance électrique s’effectue à l’aide d’un multimètre équipé de la fonction ohmmètre. Un exemple simple pour illustrer la résistance électrique est celui d’un rétrécissement dans une conduite : une conduite large laisse passer l’eau facilement, tandis qu’une conduite étroite freine son écoulement.

D’où dépend la résistance ?

La valeur de la résistance électrique dépend notamment :

• du type de matériau (par exemple, le cuivre conduit mieux l’électricité que le plastique),
• de la longueur du conducteur,
• de l’épaisseur du conducteur,
• de la température.

La résistance permet de contrôler la circulation du courant dans les circuits électriques. Grâce à elle, il est possible de protéger les équipements contre les dommages et de réguler le fonctionnement de différents composants électroniques, tels que les LED, les capteurs et les circuits intégrés.

Puissance électrique (P) et ses types

La puissance électrique définit la vitesse à laquelle l’énergie électrique est consommée ou transférée. Plus la puissance d’un appareil est élevée, plus il consomme d’énergie pendant un même intervalle de temps. Par exemple, une ampoule de 60 W consomme deux fois plus d’énergie qu’un modèle de 30 W sur la même durée.

Dans les circuits à courant alternatif, on distingue :

• Puissance active (effectue un travail) – elle réalise un travail utile et est convertie en d’autres formes d’énergie, telles que la lumière, la chaleur ou le mouvement.
• Puissance réactive (permet le fonctionnement des équipements) – elle ne réalise pas de travail utile, mais elle est nécessaire au fonctionnement de certains équipements électriques tels que les moteurs, les transformateurs ou les bobines. En termes simples, elle « circule » entre la source et la charge.
• Puissance apparente (somme des deux types de puissance) – puissance totale prélevée sur le réseau électrique. Elle se compose de la puissance active et de la puissance réactive. Elle indique le niveau de charge du réseau électrique.

Qu’est-ce que la capacité électrique ?

La capacité électrique définit l’aptitude d’un condensateur à stocker de l’énergie et à accumuler des charges électriques. Dans les circuits électroniques, les condensateurs assurent notamment le filtrage de la tension ainsi que la stabilisation du fonctionnement des circuits. L’unité de capacité est le farad (F).

Les condensateurs sont utilisés dans :

• les alimentations d’ordinateurs,
• les chargeurs de téléphones,
• les flashs d’appareils photographiques,
• les circuits électroniques des téléviseurs et des ordinateurs.

Plus la capacité d’un condensateur est élevée, plus il peut stocker d’énergie et plus il est efficace pour stabiliser la tension et limiter les perturbations dans le circuit électrique.

Inductance et magnétisme – comment fonctionnent-ils ?

Les bobines stockent l’énergie dans un champ magnétique. Leur principal paramètre est l’inductance. L’unité d’inductance est le henry (H), nommé en l’honneur de Joseph Henry.

On distingue généralement deux notions :

Inductance propre – la bobine agit sur elle-même et s’oppose aux variations de son propre courant.

Inductance mutuelle – une bobine agit sur une autre bobine en y induisant une tension.

Les phénomènes d’inductance propre et d’inductance mutuelle sont directement liés au flux magnétique et au champ magnétique. Le flux magnétique définit la « quantité » de champ magnétique qui traverse une surface donnée, par exemple les spires d’une bobine. L’induction magnétique est exprimée à l’aide de l’unité tesla (T).

Fréquence (f) – qu’est-ce que c’est ?

L’unité de fréquence est le hertz (Hz).

La fréquence définit le nombre de fois qu’un phénomène se répète en une seconde. Par exemple, le courant des prises électriques domestiques en France a une fréquence de 50 Hz, ce qui signifie que le courant change de sens 50 fois par seconde.

Charge électrique – à quoi sert-elle ?

La charge électrique décrit la quantité de charge accumulée ou circulant dans un circuit. Le déplacement correct des charges électriques est à l’origine du courant électrique. La quantité totale de charge électrique s’exprime en coulombs. Le coulomb (C) est l’unité officielle de charge électrique.

La charge électrique joue un rôle essentiel dans :

• le fonctionnement des piles et des accumulateurs,
• le transport de l’énergie électrique,
• l’électronique et les ordinateurs,
• les condensateurs qui stockent les charges électriques,
• les phénomènes électrostatiques tels que la foudre.

Conclusion

Les grandeurs et les unités utilisées en électronique permettent de décrire avec précision le fonctionnement des circuits électriques et d’effectuer correctement les mesures. La plupart d’entre elles reposent sur le Système international d’unités (SI), qui constitue une norme commune utilisée dans le domaine scientifique.

En électronique, les grandeurs les plus importantes sont la tension électrique (V), l’intensité du courant (A), la résistance (Ω), la puissance (W), la capacité (F), l’inductance (H), la fréquence (Hz) ainsi que la charge électrique (C). Ce sont elles qui permettent de concevoir, de mettre en service et de diagnostiquer les équipements électroniques, depuis les circuits les plus simples jusqu’aux systèmes informatiques et énergétiques les plus avancés.

La connaissance des unités de mesure fondamentales ainsi que de leur signification facilite la compréhension du fonctionnement des équipements électriques, l’interprétation correcte des résultats de mesure et le travail en toute sécurité avec les circuits électroniques. Il s’agit d’un savoir essentiel pour toute personne s’intéressant à l’électronique, que ce soit à titre de loisir ou dans un cadre professionnel.