Un circuit électrique est composé de fils électriques et de dipôles électriques : les dipôles sont des objets ayant deux pôles, comme une pile par exemple. Il existe de nombreuses variétés de dipôles : les conducteurs ohmiques (appelés à tort des résistances), les générateurs (comme les piles), les lampes, les diodes, etc. L'association de ces dipôles forme des branches dans le circuit électrique. Un ensemble de branches qui forment une boucle est appelé une maille. Certains dipôles sont des générateurs, leur rôle est d'animer le circuit électrique. Nous verrons plus tard que leur fonctionnement peut être décrit en termes d'énergie électrique fournie au circuit. Les autres dipôles sont des récepteurs. Leur fonctionnement consiste à recevoir de l'énergie et à la convertir.

■ À l'échelle microscopique, le courant électrique qui circule dans les branches du circuit est interprété comme le déplacement des porteurs de charge électrique dans le système. Plus le nombre de porteurs de charge qui circulent dans un fil chaque seconde est grand, plus l'intensité I du courant électrique est grande. L'intensité du courant dans un fil se mesure à l'aide d'un ampèremètre assemblé en série dans la branche étudiée. L'intensité du courant électrique se mesure en ampère (A).
Lors des premières découvertes des lois de l'électricité, alors que les phénomènes étaient inconnus à l'échelle microscopique, il a été convenu parmi les scientifiques de définir le pôle + du générateur comme le pôle par lequel sort le courant dans le circuit. Inversement, le pôle - est celui par lequel le courant revient au générateur. Ainsi, selon cette convention, le courant électrique circule du + vers le - du générateur dans le circuit. Aujourd'hui, nous savons que le courant électrique correspond au déplacement des électrons, qui sont porteurs d'une charge électrique de signe négatif : ils sont repoussés par le pôle - et attirés par le pôle +. Microscopiquement, les électrons circulent donc dans les branches du circuit dans le sens opposé au sens conventionnel du courant.

■ Le potentiel électrique est une grandeur qui mesure l'inconfort des porteurs de charge électrique en un point du circuit. En termes d'interaction électrostatique, on comprend par exemple que l'inconfort des électrons est grand près du pôle - du générateur, alors que l'inconfort est petit près du pôle +, et cela parce que les - et les - se repoussent, tandis que les - et les + s'attirent. Il arrive qu'en étudiant les deux bornes d'un dipôle, il n'y ait pas le même potentiel électrique sur chacune : les deux bornes présentent une différence de potentiel qu'on appelle aussi une tension électrique. Une tension électrique U est donc une mesure d'une différence d'inconfort des porteurs de charge entre deux points du circuit. Elle se mesure en volt (V) à l'aide d'un voltmètre branché en dérivation aux deux points étudiés.

■ Tous les dipôles ne se comportent pas de la même manière dans un circuit électrique. Pour une tension donnée à leurs bornes, certains laisseront passer un peu de courant, d'autres beaucoup et certains pas du tout. On parle de la caractéristique du dipôle pour désigner la relation qui existe entre l'intensité du courant qui le traverse et la tension à ses bornes.
Parmi tous les dipôles, certains ont une caractéristique simple : la tension à leurs bornes est proportionnelle à l'intensité du courant électrique qui les traverse. Cette relation de proportionnalité est connue sous le nom de la loi d'Ohm. Des conducteurs électriques qui vérifient cette relation sont appelés des conducteurs ohmiques. Le coefficient de proportionnalité entre la tension à leurs bornes et l'intensité du courant qui les traverse est appelé la résistance du conducteur ohmique. Elle se mesure en ohm (Ω). Sa mesure peut être réalisée expérimentalement à l'aide d'un ohmmètre.
Expression de la loi d'Ohm : U = R × I.
Ainsi, en termes d'unités, 1 V = 1 Ω × 1 A.

■ Il existe des lois de la physique qui relient entre elles les différentes grandeurs électriques d'un circuit, notamment les différentes tensions aux bornes des dipôles entre elles, et s'il y en a plusieurs, les différentes intensités des courants électriques dans les branches du circuit. Il s'agit de la loi des mailles (pour les tensions) et de la loi des noeuds (pour les intensités).

Le générateur électrique est le dipôle en charge de fournir de l'énergie électrique au circuit, et cela en fournissant une tension ou une intensité de courant électrique. On distingue ainsi les générateurs de tension et les générateurs de courant. On parle aussi de source de tension ou de source de courant. Lorsque le circuit électrique est fermé, c'est grâce au générateur qu'il y a mise en mouvement des porteurs de charge électrique dans les fils ou dans les conducteurs à l'échelle microscopique de la matière.

L'intensite du courant continu mesure le débit des porteurs de charge, c'est-à-dire la quantité d'électricité qui traverse une section de fil conducteur par unité de temps. Une intensité d'un ampère correspond à un débit égal à un coulomb par seconde.

Les sources réelles de tension, comme les générateurs électriques au laboratoire, ou les piles du commerce, les batteries, etc., sont conçues pour fournir une tension électrique. Lors de leur fonctionnement, selon les autres dipôles récepteurs présents dans le circuit, la tension fournie est associée à la circulation d'un courant électrique d'une certaine intensité. Il est possible d'étudier au laboratoire la valeur de la tension aux bornes d'une source réelle en fonction de l'intensité du courant électrique dans le circuit (TP). Pour cela, il faut relier la source à une résistance variable, ce qui permettra de contrôler la valeur de l'intensité du courant et de mesurer pour chaque intensité la valeur correspondante de la tension aux bornes de la pile.

Les résultats expérimentaux montrent que la tension aux bornes de la pile est une fonction décroissante de l'intensité dans le circuit. Les points du graphique semblent alignés sur une droite : la relation entre U et I est modélisable par une fonction affine, de la forme U(I) = -a × I + b, où a et b, tous les deux de signe positif, désignent respectivement le coefficient directeur de la droite et son ordonnée à l'origine. Le membre de gauche de l'égalité est une tension, en volt. Ainsi, chaque terme du membre de droite est aussi une tension en volt.

• b est la valeur de la tension à condition que I = 0, c'est donc la tension aux bornes de la pile quand l'interrupteur du circuit est ouvert. On parle de tension à vide de la pile. Attention, ces termes ne signifient pas que la pile est vide, mais qu'elle n'est branchée à rien.
• le terme restant, -a × I, est homogène à une tension. Le coefficient a joue donc le rôle d'une résistance (voir la loi d'Ohm). Or nous sommes dans l'étude de la pile. Nous venons de mettre en évidence qu'à l'intérieur même d'une pile se trouve une résistance. Comme si la pile, d'elle-même, s'opposait au passage du courant, alors qu'elle doit fournir de l'énergie au circuit. Cette résistance interne s'explique par la consitution-même de la pile, dans laquelle certaines jonctions entre des compartiments ne sont pas parfaites et empêchent la circulation idéale du courant.

Finalement, la caractéristique d'une pile peut s'écrire
U(I) = -r × I + E .
Dans cette relation, r est la résistance interne de la pile, en ohm, et E est la tension à vide de la pile, en volt (celle figurant sur son étiquette).
La source réelle de tension se comporte donc comme un assemblage :

• d'une source idéale de tension délivrant la tension à vide E ;
• et d'une résistance interne r liée à la constitution interne de la pile.

Lorsque la source (ou le générateur) fonctionne, il fournit de l'énergie électrique aux autres dipôles présents dans le circuit électrique.
La puissance est une grandeur physique qui mesure l'énergie convertie par un système par unité de temps.

La puissance se mesure en watt, de symbole W, et 1 W = 1 J·s^-1.
Une énergie égale à 1 J est l'énergie qu'il faut fournir à une bouteille d'un litre d'eau pour la soulever d'environ 10 cm.
Le tableau ci-dessous donne la puissance électrique indicative de quelques objets du quotidien :

Pour étudier ce que devient la puissance fournie par le générateur dans un circuit électrique, il faut réaliser un bilan de puissance, c'est-à-dire faire la liste de tous les dipôles et calculer pour chacun la puissance en question. Comme l'énergie ne peut pas disparaître ou apparaître, mais seulement se transformer, la puissance fournie par le générateur doit être égale à la puissance consommée par les récepteurs.

Pour illustrer ce qu'est un bilan de puissance, traitons l'exemple d'un circuit constitué d'une source idéale de tension délivrant une tension E, d'un conducteur ohmique de résistance R et d'une lampe.

La loi des mailles s'écrit ici : E - U_R - U_L = 0, soit encore
E = U_R + U_L.
Le circuit ne comporte qu'une seule maille, le courant qui traverse le générateur traverse aussi le conducteur ohmique et la lampe : l'intensité du courant est la même dans toutes les branches du circuit. Nous pouvons donc multiplier par I les deux membres de cette égalité :
E ×I = U_R × I + U_L × I .
Le membre de gauche est le produit de la tension aux bornes du générateur et de l'intensité du courant qui le traverse : il s'agit de la puissance fournie par le générateur dans le circuit.
Dans le membre de droite, le premier terme est le produit de la tension aux bornes du conducteur ohmique par l'intensité du courant qui le traverse : il s'agit de la puissance convertie par le conducteur ohmique.
Dans le membre de droite, le deuxième terme est la puissance convertie par la lampe.
L'égalité devient :
𝒫_générateur = 𝒫_{conducteur ohmique} + 𝒫_lampe.

Les lois de l'électricité appliquées au circuit nous conduisent bien à un bilan de puissance dans lequel toute la puissance fournie au circuit est égale à toute la puissance qu'il consomme. Dans cette situation, le conducteur ohmique convertit l'énergie électrique en énergie thermique (il s'échauffe, phénomène que vous observez par exemple durant la charge des smartphones ou en regardant l'intérieur d'un grille-pain en fonctionnement) ; la lampe convertit une partie de l'énergie électrique en énergie lumineuse, le reste étant convertie en énergie thermique (car la lampe elle aussi s'échauffe).

Le phénomène par lequel un dipôle résistif s'échauffe est appelé l'effet Joule, du nom du physicien anglais James Joule (1889 - 1889). Tout dipôle qui oppose une certaine résistance au passage du courant électrique dissipe une partie de l'énergie qu'il reçoit sous la forme d'énergie thermique. C'est le cas :

• des conducteurs ohmiques dans un grille-pain ;
• du conducteur ohmique dans une bouilloire ;
• du conducteur ohmique dans une machine à laver qui chauffe l'eau ;
• de la batterie d'un smartphone en charge ;
• du conducteur ohmique au plafond d'un four électrique ;
• etc.

La puissance dissipée par effet Joule vaut :
𝒫_Joule = U × I
𝒫_Joule = (R × I) × I par la loi d'Ohm donc
𝒫_Joule = R × I²

L'énergie est une grandeur conservative : il est impossible d'en produire ou d'en faire disparaître. Elle peut seulement être transférée d'un système à un autre, ou bien convertie par un système sous une autre forme d'énergie. Par exemple,

• un moteur électrique convertit de l'énergie électrique en énergie mécanique (liée au mouvement) et dissipe de l'énergie thermique (échauffement) ;
• une pile convertit de l'énergie chimique en énergie électrique et dissipe de l'énergie thermique (échauffement) ;
• une lampe convertit de l'énergie électrique en énergie lumineuse et dissipe de l'énergie thermique ;
• un panneau solaire convertit de l'énergie lumineuse en énergie électrique et dissipe de l'énergie thermique ;
• un alternateur électrique convertit de l'énergie mécanique en énergie électrique et dissipe un peu d'énergie thermique.

La conversion d'énergie réalisée peut être représentée à l'aide du schéma de la chaîne de conversion :

Le rendement de conversion désigne la proportion de l'énergie consommée qui sera convertie sous forme utile. Le rendement est souvent noté r ou η. C'est un nombre sans dimension et sans unité (car c'est une proportion, un rapport), il est parfois exprimé en pourcentage.

η  =  ℰ_utile / ℰ_consommée

Dans le pire des cas, le convertisseur d'énergie dissipe toute l'énergie qu'il consomme et la conversion ne produit aucune énergie sous forme utile. Alors le rendement de conversion est nul : η = 0.
Dans le meilleur des cas, le convertisseur ne dissipe aucune énergie et toute l'énergie qu'il consomme est convertie en énergie utile : η = 1.
Un rendement de conversion est donc toujours compris entre 0 et 1 (ou 100 %).
Exemples d'expression de rendement :

η_moteur  =  ℰ_mécanique / ℰ_électrique

ou encore

η_lampe  =  ℰ_lumineuse / ℰ_électrique