Résistance et rhéostat

Une résistance est un composant qui s’oppose au passage du courant électrique d’une quantité connue et transforme une partie de l’énergie électrique en chaleur. Un rhéostat est une résistance dont on peut changer la valeur pendant que le courant passe. Georg Ohm a publié en 1827 la loi qui relie courant, tension et résistance. En 1840, Moritz Jacobi et Charles Wheatstone ont présenté des instruments qui règlent la résistance d’un circuit, et Wheatstone a nommé le sien rhéostat en 1843.

Ce que c’est

Une résistance laisse passer le courant électrique, mais s’y oppose d’une valeur fixée, mesurée en ohms. Dans un circuit, elle limite le courant qu’une tension donnée peut faire circuler, partage une tension en fractions plus petites ou change volontairement de l’énergie électrique en chaleur. Une radio, un chargeur ou un ordinateur en contiennent des dizaines ou des milliers. L’ordinateur ENIAC, présenté en 1946, en comptait environ 70 000.

Une résistance fixe n’a qu’une valeur. Dans une résistance variable, un contact glisse le long de la partie résistante, si bien que la longueur parcourue par le courant change, et la résistance avec elle. À deux bornes, on l’appelle rhéostat et elle règle un courant, comme la vitesse d’un moteur ou l’éclat d’une lampe. À trois bornes, une à chaque bout de la piste et une sur le curseur, c’est un potentiomètre, qui prélève la part voulue d’une tension, comme le bouton de volume d’une radio.

Comment ça marche

Le courant dans un métal est un déplacement d’électrons qui, en chemin, heurtent sans cesse les atomes du matériau et leur cèdent de l’énergie, ce qui chauffe le conducteur. Un fil d’une matière donnée résiste davantage s’il est plus long, et moins s’il est plus épais. Le cuivre conduit si bien que les fils de liaison d’un circuit comptent à peine. Les résistances emploient au contraire des matériaux qui conduisent mal, comme des alliages de nickel, ou du carbone mêlé à une charge isolante.

Dans un potentiomètre, un frotteur solidaire de l’axe glisse sur une piste de carbone entre deux bornes d’extrémité.

La loi d’Ohm relie les trois grandeurs : le courant en ampères est égal à la tension en volts divisée par la résistance en ohms. Une résistance de 100 ohms sous 5 volts laisse passer 0,05 ampère. La puissance changée en chaleur est le produit de la tension par le courant, ici un quart de watt. Chaque résistance a une puissance nominale ; si on lui fait dissiper plus de chaleur que prévu, elle chauffe trop, sa valeur dérive et elle peut brûler. Les gros rhéostats portent donc un fil nu en spires écartées sur un support de céramique ou d’ardoise, que l’air refroidit, tandis que les petites résistances de l’électronique sont prévues pour une fraction de watt.

On a fabriqué les résistances fixes de plusieurs façons. Une résistance bobinée porte un enroulement de fil d’alliage sur un noyau isolant. La résistance au carbone aggloméré, le modèle courant de l’époque de la radio, est un petit bâtonnet moulé de poudre de carbone, d’une charge et d’un liant, avec un fil de connexion noyé à chaque bout ; plus il y a de charge, plus la valeur est élevée. Une résistance à couche porte une fine pellicule de carbone ou de métal sur un bâtonnet de céramique. La valeur est imprimée sur le corps ou indiquée par des anneaux de couleur, un code établi par les fabricants de radios américains dans les années 1920.

Comment faire

Une mine de crayon entre deux pinces fait office de rhéostat : plus les pinces sont éloignées, plus l’ampoule faiblit.

Le graphite, la « mine » du crayon, conduit bien moins que le cuivre, et un morceau suffit à faire un rhéostat pour une petite lampe. Il faut un support de trois piles AA, soit 4,5 volts, une ampoule de lampe de poche prévue pour cette tension environ, dans sa douille, trois fils munis de pinces crocodile aux deux bouts et une mine épaisse de porte-mine. Un crayon de bois fendu dans sa longueur, dont la mine est dégagée d’un bout à l’autre, convient aussi.

Posez la mine sur un carreau de céramique. Reliez une borne du support de piles à l’ampoule, l’ampoule à une pince fixée à un bout de la mine, et l’autre borne des piles à la seconde pince. Posez la seconde pince sur la mine tout près de la première : l’ampoule brille presque autant que branchée directement sur les piles. Faites-la glisser le long de la mine et l’ampoule faiblit, car le courant doit maintenant traverser un chemin de graphite plus long. Notez l’écart entre les pinces au moment où la lueur disparaît. Un morceau de fil résistant, vendu pour les expériences scolaires, donne le même résultat et dure plus longtemps. Débranchez l’ampoule entre deux essais pour ménager l’ampoule et les piles.

Le graphite est cassant et les pinces peuvent l’écraser : serrez-les doucement. N’utilisez que de petites piles sèches, jamais une batterie de voiture, un bloc au lithium ou un adaptateur secteur. La mine et le fil s’échauffent, et avec une source plus forte une étincelle peut jaillir au point de contact d’une pince sur le graphite. Éloignez du carreau le papier et tout ce qui peut brûler. Ne reliez jamais directement les deux bornes des piles, ni par les seules pinces : les fils chauffent vite et les piles peuvent couler.

Histoire et évolution

En 1825 et 1826, Georg Simon Ohm fait passer le courant dans des fils de longueurs, d’épaisseurs et de métaux différents, et le mesure avec une aiguille aimantée placée près du fil. En 1827, il publie la relation entre courant, tension et résistance dans un livre sur le circuit galvanique, Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet.

Dans le rhéostat à deux cylindres de Wheatstone, le fil enroulé sur le bois ajoutait de la résistance, celui enroulé sur le laiton était court-circuité.

Au début de 1840, Moritz Jacobi présente à l’Académie des sciences de Saint-Pétersbourg un instrument destiné à régler le courant d’une pile. En août de la même année, à Londres, Charles Wheatstone lui montre ses propres instruments, fondés sur le même principe. Wheatstone les décrit en 1843 dans sa Bakerian Lecture devant la Royal Society et les appelle rhéostats. Dans l’un d’eux, un fil nu passe d’un cylindre de bois à un cylindre de laiton. Chaque spire enroulée sur le bois ajoute de la résistance, tandis que les spires posées sur le laiton sont court-circuitées par le métal. Le King’s College de Londres conserve un rhéostat à un cylindre de 1843, et le Museo Galileo de Florence un modèle à deux cylindres fabriqué à Naples en 1865.

Le télégraphe et les câbles sous-marins exigent des résistances reproductibles partout. En 1860, Werner Siemens propose une unité fondée sur une colonne de mercure d’un mètre de long et d’un millimètre carré de section. Un comité de la British Association, avec William Thomson, James Clerk Maxwell et Fleeming Jenkin, diffuse ses bobines étalons en février 1865 : du fil enroulé lâchement dans des boîtes de cuivre remplies de paraffine. Leur unité prend le nom d’ohm.

Les rhéostats servent ensuite la jeune industrie électrique. À Milwaukee, en 1901, Lynde Bradley construit pour régler la vitesse des moteurs électriques un rhéostat à disques de carbone, dont la résistance baisse quand on presse les disques les uns contre les autres ; en 1903, il fonde avec Stanton Allen la Compression Rheostat Company, renommée Allen-Bradley en 1909. La radio fait des petites résistances fixes un produit de grande série, et Allen-Bradley lance en 1935 des résistances au carbone moulées à chaud. Les résistances à couche de carbone ou de métal, plus stables dans le temps, remplacent le carbone aggloméré à partir des années 1960 et 1970.