La tension électrique dans un circuit

• Dans la vie quotidienne, le mot « tension » est fréquemment utilisé. Par exemple, lorsque les piles d'un appareil électrique sont changées, il faut faire attention à une indication, exprimée en volt(s), sur la notice. Ainsi, les piles standards utilisées sont de $\text{1,5}$ volt, $\text{4,5}$ volts ou $9$ volts.

• Par ailleurs, l'électricité du domicile est acheminée par le réseau Enedis : la tension standard délivrée par les prises électriques est de $\text{230}$ volts. Cette électricité provient essentiellement de centrales électriques qui produisent des hautes tensions ($400~ 000$ volts) pour le transport sur le longues distances (réseau RTE).

I. La tension électrique

1. Introduction

• La tension électrique et est en fait une différence de potentiel, dont l'abréviation est d.d.p, qui existe entre la borne positive et la borne négative d'un générateur.

• Le rôle du générateur sera alors de délivrer cette tension aux bornes d'un dipôle par exemple. Ainsi pour que le courant électrique puisse passer dans un dipôle, il faut qu'il existe une tension électrique entre ses bornes.

2. Définition

• La notion de tension est difficile à définir au niveau du collège. Seule la définition suivante sera donc à retenir :

  $\circ\quad$ La tension électrique, notée $U$, est une grandeur électrique qui se mesure entre les deux bornes d'un dipôle (générateur ou récepteur) et qui donne naissance au courant électrique qui parcourt ce dipôle ;

  $\circ\quad$ Elle s'exprime en volt(s) ($V$).

• Remarques :

  $\circ\quad$ La tension aux bornes d'un générateur (= composé qui peut fournir de l'énergie électrique) n'est jamais nulle ;

  $\circ\quad$ La tension aux bornes d'un récepteur (composé qui peut recevoir de l'énergie électrique) est nulle si le circuit électrique est ouvert, c'est-à-dire que le courant électrique ne circule pas. Cependant, en circuit fermé, la tension est égale à celle du générateur.

  $\circ\quad$ Dans les habitations, la tension aux bornes d'un interrupteur ouvert est de $\text{230 V}$, donc beaucoup plus que la tension de sécurité qui est égale à $\text{24 V}$.

3. Tension nominale

• Sur les appareils électroménagers, la tension qui est indiquée sur la plaque signalétique est la tension nominale, c'est-à-dire la tension normale d'utilisation de l'appareil. Ainsi :

  $\circ\quad$ Si l'appareil est utilisé avec une tension supérieure à la tension nominale, l'appareil est alors mis en surtension et risque de se détériorer ;

  $\circ\quad$ Si l'appareil est utilisé avec une tension inférieure à la tension nominale, ce dernier est alors mis en sous-tension ; celui-ci fonctionnera mais pas de façon optimale.

• Exemple : dans le cas d'une lampe utilisée en laboratoire au collège

  

  $\circ\quad$ La tension inscrite sur une lampe est la tension nominale : c'est la tension normale d'alimentation de la lampe ;

  $\circ\quad$ La tension mesurée entre les bornes de chaque lampe peut être différente de la tension nominale.

  $\circ\quad$ Lorsque la tension entre les bornes de la lampe est supérieure à sa tension nominale, la lampe brille trop et risque d'être détruite. On dit qu'elle est en surtension.

  $\circ\quad$ Lorsque la tension entre les bornes de la lampe est inférieure à sa tension nominale, elle brille peu. On dit qu'elle est en sous-tension.

  $\circ\quad$ Conclusion : pour qu'une lampe brille normalement, elle doit être alimentée par une tension proche de sa valeur nominale.

II. Un peu d'histoire : invention de la première pile

• En 1793, Alessandro Volta (1745 - 1827), physicien italien, inventa un dispositif où intervenaient des métaux différents, capables de produire des effets électriques suffisamment importants.

• Il superposait toujours dans le même ordre des rondelles faites de deux métaux différents (rondelle de cuivre et rondelle de zinc), séparées par des rondelles de feutre imbibées d'eau salée ou d'eau acidulée.

• Ainsi un élément de la pile de Volta délivre une tension voisine de $1~V$. En raison de cet empilement, le "dispositif" de Volta reçut le nom de "pile" et on appela Volt (symbole $V$), l'unité de mesure de la tension électrique qui existait entre les deux bornes de la pile. En 1800, Volta présenta un modèle de sa pile à Napoléon Bonaparte.

III. Mesure de la tension électrique : le voltmètre

• La tension électrique se mesure à l'aide d'un multimètre en mode voltmètre. Comme vu précédemment, cette grandeur se note $U$ et s'exprime en volt(s) (de symbole $V$) mais il est possible d'utiliser aussi des multiples du volt comme le kilovolt ($1~kV = 1~000~V$), et des sous-multiples comme le millivolt ($1~mV = 0,001~V$).

• Cet appareil possède des calibres pouvant être sélectionnés, chaque calibre correspondant à la tension maximale qui pourra être mesurée. Ainsi, pour mesurer une tension inconnue, il est primordial de toujours se placer sur le calibre le plus élevé. Puis ce dernier est progressivement diminué en fonction du résultat de la mesure.

• Le voltmètre est un appareil électrique polarisé, c'est-à-dire qu'il a un sens de branchement : la borne marquée $V$ (ou $+$) doit être reliée au potentiel le plus haut (coté positif) et la borne "commune" marquée $COM$ (ou $-$) au potentiel le plus faible (côté négatif).

• Son symbole normalisé est :

• Il s'insère en dérivation (= en parallèle) dans un circuit électrique, selon le schéma ci-dessous :

IV. La tension dans les associations de dipôles

1. Rappel : circuits en série et en dérivation

• Les circuits électriques en série ou en dérivation ont été vu en classe de 5^e. Il est donc primordial de réviser les fiches de cours suivantes :

  Circuit électrique en série

  Circuit électrique en dérivation

• Les lois de l'électricité pour la tension électrique diffèrent si les dipôles sont associés en série ou en dérivation.

2. Cas d'association de dipôles en série : loi d’additivité des tensions

• Si les dipôles sont montés les uns à la suite des autres, c'est-à-dire qu'ils sont montés en série (ou encore dans une maille), alors la tension aux bornes du générateur est égale à la somme des tensions aux bornes des autres dipôles. C'est la loi d'additivité des tensions.

• D'où la relation :

$\boxed{U_{générateur} = U_1 + U_2 + U_3 + ...}$

3. Cas d'association de dipôles en dérivation : loi d’unicité des tensions

• Si les dipôles sont associés en dérivation, alors la tension aux bornes du générateur est égale à la tension aux bornes des autres dipôles. C'est la loi d'unicité de la tension.

• D'où la relation :

$\boxed{U_{générateur} = U_1 = U_2 = U_3 = ...}$

• Exemple : si on ouvre une pile « carrée » de $4,5~V$, on voit apparaître à l'intérieur $3$ petites piles de $1,5~V$ chacune qui sont associées en série. Ainsi leurs tensions s'additionnent pour donner la tension de la pile :

  $U_{pile} = U_1 + U_2 + U_3$

  $\Leftrightarrow 4,5 V = 1,5 + 1,5 + 1,5$