Loi d’Ohm expliquée : tension, courant et résistances pour LED.

Trois grandeurs qui caractérisent chaque circuit.

Le déplacement d’une charge électrique dans un conducteur s’appelle le courant. Il faut quelque chose pour la mettre en mouvement : c’est la tension électrique. Quelque chose s’oppose aussi à ce déplacement : c’est la résistance.

• La tension électrique (V), mesurée en volts, est l’énergie fournie à chaque unité de charge lorsqu’elle traverse une source comme une pile. C’est la poussée.
• Le courant (I), mesuré en ampères (amps), correspond à la quantité de charge qui passe en un point chaque seconde. C’est le flux.
• La résistance (R), mesurée en ohms (Ω), indique avec quelle force un composant s’oppose à ce flux.

Une analogie avec l’eau aide au début : la tension électrique ressemble à la pression, le courant ressemble au taux d’écoulement dans un tuyau et la résistance ressemble à une partie étroite du tuyau. Comme toute analogie, elle a ses limites, mais elle donne une bonne idée de la façon dont ces trois grandeurs dépendent les unes des autres.

Quelques précisions sur la sécurité : tout ce qui est présenté ici concerne des circuits basse tension de la taille de ceux alimentés par une pile. Le courant du secteur domestique est dangereux et ne doit pas faire l’objet d’expériences. Ce guide et le laboratoire ne l’abordent donc jamais.

La loi d’Ohm : une équation, trois réponses

Pour de nombreuses résistances ordinaires, doubler la tension à leurs bornes double le courant qui les traverse. Cette relation linéaire est la loi d’Ohm :

V = I × R

En la réorganisant, on peut répondre à trois questions différentes :

• Besoin de la tension électrique ? V = I × R
• Besoin du courant ? I = V / R
• Besoin de la résistance ? R = V / I

Un exemple rapide : une pile de 9 V branchée à une résistance de 450 Ω donne I = 9 / 450 = 0.02 A, soit 20 milliampères. Modifiez l’un des trois nombres et les deux autres s’adaptent.

La loi d’Ohm décrit un type particulier de composant, appelé résistance ohmique, dans des conditions à peu près constantes. Certains composants ne la respectent pas, notamment la LED, que nous allons découvrir dans un instant.

Lire les nombres : milliampères, kilo-ohms et bandes de couleur

Les circuits réels utilisent constamment des préfixes. 1 mA correspond à un millième d’ampère. 1 kΩ correspond à mille ohms. Confondre les unités est l’erreur la plus fréquente lorsqu’on utilise V = I × R, alors convertis d’abord : 20 mA devient 0,02 A avant de diviser.

Les petites résistances portent une rangée de bandes colorées au lieu de nombres imprimés. Dans le style courant à quatre bandes, les deux premières bandes sont des chiffres, la troisième est un multiplicateur et la quatrième indique la tolérance, c’est-à-dire l’écart possible de la valeur réelle. Par exemple, marron, noir, rouge se lit 1, 0, puis ×100, soit 1 kΩ.

Tu n’as pas besoin de mémoriser tout le code dès le premier jour. Lire quelques résistances dans le laboratoire jusqu’à ce que le motif devienne évident est plus efficace que d’utiliser un tableau.

Pourquoi il n’est pas possible de connecter une LED directement à une pile.

Une résistance normale laisse le courant augmenter progressivement quand la tension augmente. Une LED (diode électroluminescente) ne fonctionne pas ainsi. En dessous d’une certaine tension, appelée tension directe, elle ne laisse presque rien passer. Juste au-dessus de cette tension, le courant augmente très fortement pour une toute petite hausse supplémentaire.

Brancher une LED seule sur une pile est donc risqué : la pile continue de pousser, le courant dépasse largement ce que la LED peut supporter et celle-ci peut tomber en panne presque immédiatement. La LED n’a aucun moyen intégré de dire « ça suffit ».

La solution consiste à ajouter une résistance de limitation du courant en série. Comme le même courant doit traverser les deux composants, la résistance absorbe la tension dont la LED n’a pas besoin et, grâce à la loi d’Ohm, limite le courant.

Choisir la résistance : un exemple concret.

Supposons qu’une LED rouge ait une tension directe d’environ 2 V et que tu veuilles y faire passer environ 15 mA, avec une alimentation de 5 V.

1. Trouve la tension restante pour la résistance : 5 V − 2 V = 3 V.
2. Divise-la par le courant souhaité : R = 3 / 0.015 = 200 Ω.
3. Choisis la valeur standard la plus proche qui ne soit pas inférieure, par exemple 220 Ω. Le courant sera légèrement plus faible et la LED un peu moins lumineuse : c’est une marge de sécurité préférable.

On peut aussi calculer la puissance supportée par la résistance. La puissance est P = V × I, donc 3 V × 0.015 A = 0.045 W, ce qui reste largement dans les limites d’une petite résistance.

Vérifie toujours les propres données de la LED pour connaître sa tension directe et le courant recommandé ; les valeurs ci-dessus sont typiques, mais pas universelles.

Erreurs à éviter.

• Oublier de convertir les unités. Les milliampères et les kilo-ohms doivent être convertis en ampères et en ohms avant la division.
• Mettre la résistance en parallèle. Pour que la limitation du courant fonctionne, la résistance doit être en série, dans la même boucle que la LED.
• Brancher la LED à l’envers. Une LED ne laisse passer le courant que dans une seule direction. Si elle reste éteinte, essaie de la retourner avant d’accuser les maths.
• Considérer la loi d’Ohm comme universelle. Elle s’applique aux résistances, pas à tous les composants du circuit.
• Penser que « moins de résistance est plus sûr ». Pour une LED, c’est l’inverse : une résistance plus petite laisse passer davantage de courant.

Comment explorer ce concept au laboratoire.

Le laboratoire d’électronique et d’Arduino te permet de construire et de mesurer ces circuits sans matériel. Voici un ordre logique pour parcourir le premier monde gratuit :

1. Commence par Tension électrique, courant, résistance pour bien distinguer ces trois notions.
2. Vérifie l’équation dans La loi d’Ohm en pratique, puis entraîne-toi aux trois transformations dans Transformer la loi d’Ohm.
3. Observe le comportement d’une LED dans La LED.
4. Protège-la avec des résistances de limitation du courant.
5. Termine par Puissance et watts pour voir quelle quantité de chaleur la résistance doit gérer.

Le laboratoire est un modèle pédagogique simplifié basé sur des composants idéaux ; les composants réels peuvent donc être légèrement différents dans les détails. Pour tes propres expériences, utilise uniquement des piles basse tension et des alimentations de niveau USB.