Tension électrique

Le cours

Tension électrique

I. Définition de la tension électrique

1. Notion de tension

La tension électrique entre deux points A et B d'un circuit est la différence de potentiel électrique entre ces deux points.

On la note : U(AB) ou U(A,B)

Analogie avec l'eau : La tension est comme une différence de hauteur pour l'eau : - Plus la différence de hauteur est grande, plus l'eau coule avec force - Plus la tension est grande, plus le courant est intense

2. Unité de la tension électrique

L'unité légale internationale de tension électrique est le volt, de symbole V.

Multiples et sous-multiples : - Kilovolt (kV) : 1 kV = 1000 V - Millivolt (mV) : 1 mV = 0,001 V = 10⁻³ V - Microvolt (μV) : 1 μV = 0,000001 V = 10⁻⁶ V

Conversions : - 2,5 V = 2500 mV - 120 mV = 0,12 V - 0,015 V = 15 mV

3. Exemples de tensions

Générateurs courants : - Pile cylindrique : 1,5 V - Pile plate : 4,5 V - Batterie de téléphone : 3,7 V - Batterie de voiture : 12 V - Secteur en Côte d'Ivoire : 220 V - Lignes haute tension : 15000 V à 400000 V

II. Mesure de la tension : le voltmètre

1. Le voltmètre

Le voltmètre est l'appareil qui mesure la tension électrique entre deux points d'un circuit.

Types de voltmètres : - Voltmètre à aiguille (analogique) - Voltmètre numérique (digital)

2. Symbole normalisé

Dans un schéma électrique, le voltmètre est représenté par un cercle contenant la lettre V.

    ⊙
    V

3. Branchement du voltmètre

RÈGLE ESSENTIELLE : Le voltmètre se branche EN DÉRIVATION (en parallèle) aux bornes de l'appareil dont on veut mesurer la tension.

Différence avec l'ampèremètre : - Ampèremètre : EN SÉRIE - Voltmètre : EN DÉRIVATION

Sens de branchement : - Borne COM (ou -) : du côté du pôle - du générateur - Borne V (ou +) : du côté du pôle + du générateur

Si on branche à l'envers : - Voltmètre analogique : l'aiguille dévie dans le mauvais sens - Voltmètre numérique : affiche un signe - devant la valeur

4. Schématisation d'un circuit avec voltmètre

Exemple : Mesure de la tension aux bornes d'une lampe

+--[Pile]--[Interrupteur]--[Lampe]--+
|            |       |              |
|            +--[V]--+              |
|                                   |
+-----------------------------------+

Le voltmètre est branché en parallèle aux bornes de la lampe.

5. Choix du calibre

Comme pour l'ampèremètre, il faut choisir le bon calibre : - 1000 V, 200 V, 20 V, 2 V, etc.

Méthode : 1. Commencer par le plus grand calibre 2. Si la valeur est trop petite, choisir un calibre plus petit 3. Le meilleur calibre est celui juste au-dessus de la valeur mesurée

III. Loi de la tension dans un circuit en série

1. Expérience

Montage : Une pile alimente deux lampes L₁ et L₂ en série. On place : - V₁ aux bornes de la pile - V₂ aux bornes de L₁ - V₃ aux bornes de L₂

Schéma :

+--[Pile]--[L₁]--[L₂]--+
|    |      |     |    |
+---[V₁]--[V₂]--[V₃]--+

Mesures : - V₁ (pile) = 4,5 V - V₂ (L₁) = 2,3 V - V₃ (L₂) = 2,2 V

Observation : V₁ = V₂ + V₃ 4,5 V = 2,3 V + 2,2 V ✓

2. Loi d'additivité des tensions en série

DANS UN CIRCUIT EN SÉRIE, LA TENSION AUX BORNES DU GÉNÉRATEUR EST ÉGALE À LA SOMME DES TENSIONS AUX BORNES DES RÉCEPTEURS.

Formule :

U(générateur) = U₁ + U₂ + U₃ + ...

Ou :

U(AB) = U(AC) + U(CB)

Analogie : Comme une cascade : la hauteur totale est la somme des hauteurs de chaque chute.

3. Applications numériques

Exemple 1 : Deux lampes en série sont alimentées par une pile de 4,5 V. La première lampe a une tension de 3 V à ses bornes. Quelle est la tension aux bornes de la deuxième lampe ?

Solution : U(pile) = U(L₁) + U(L₂) 4,5 = 3 + U(L₂) U(L₂) = 4,5 - 3 = 1,5 V

Exemple 2 : Trois lampes en série portent chacune 2 V à leurs bornes. Quelle tension doit fournir le générateur ?

Solution : U(générateur) = 2 + 2 + 2 = 6 V

IV. Loi de la tension dans un circuit en dérivation

1. Expérience

Montage : Une pile alimente deux lampes L₁ et L₂ en dérivation. On place : - V₁ aux bornes de la pile - V₂ aux bornes de L₁ - V₃ aux bornes de L₂

Schéma :

        +---[L₁]---+
        |    |     |
+--[Pile]--+[V₂]   +--+
|    |   |         |  |
+---[V₁]-+---[L₂]--+--+
             |     |
            [V₃]

Mesures : - V₁ (pile) = 4,5 V - V₂ (L₁) = 4,5 V - V₃ (L₂) = 4,5 V

Observation : V₁ = V₂ = V₃ = 4,5 V

2. Loi de l'unicité de la tension en dérivation

DANS UN CIRCUIT EN DÉRIVATION, LA TENSION EST LA MÊME AUX BORNES DE TOUS LES DIPÔLES BRANCHÉS EN DÉRIVATION.

Formule :

U(générateur) = U₁ = U₂ = U₃ = ...

Conséquence : Tous les récepteurs en dérivation reçoivent la même tension que le générateur.

C'est pourquoi : - Dans une maison, toutes les prises fournissent 220 V - Toutes les lampes en dérivation brillent avec la même intensité - On peut ajouter ou retirer des appareils sans affecter les autres

3. Applications numériques

Exemple 1 : Trois lampes sont branchées en dérivation sur une pile de 4,5 V. Quelle est la tension aux bornes de chaque lampe ?

Solution : En dérivation, toutes les tensions sont égales : U(L₁) = U(L₂) = U(L₃) = 4,5 V

Exemple 2 : On branche en dérivation sur le secteur (220 V) : - Une lampe - Un ventilateur
- Un téléviseur

Quelle tension reçoit chaque appareil ?

Solution : Chaque appareil reçoit 220 V (loi de la dérivation).

V. Résumé des lois

Tableau récapitulatif

Comparaison intensité/tension

Moyen mnémotechnique : - Série : Intensité Identique, Tension Totale - Dérivation : Intensité Divisée, Tension Identique

VI. Applications pratiques

1. Installation domestique en Côte d'Ivoire

Dans une maison : - Montage : Toutes les prises et lampes en dérivation - Tension : 220 V partout - Avantage : On peut brancher/débrancher sans affecter les autres

2. Guirlandes de Noël

Certaines guirlandes : - Montage : Lampes en série - Conséquence : Chaque lampe reçoit une fraction de la tension totale - Avantage : Économie d'énergie - Inconvénient : Si une lampe grille, tout s'éteint

3. Adaptation générateur-récepteur

En série : Pour alimenter des récepteurs en série, il faut : U(générateur) ≥ U₁ + U₂ + U₃

En dérivation : Pour alimenter des récepteurs en dérivation, il faut : U(générateur) = U(récepteurs)

4. Vérification d'une pile

Pour savoir si une pile est usée : 1. Mesurer sa tension avec un voltmètre (sans charge) 2. Si U < 80% de la tension nominale → pile usée

Exemple : - Pile neuve de 4,5 V : U = 4,5 V - Pile usée : U = 3 V (67% de 4,5 V) → à jeter

VII. Exercices d'application

Exercice type 1 : Circuit en série

Une pile de 9 V alimente trois lampes en série. La première porte 3,5 V, la deuxième 2,5 V. Quelle est la tension aux bornes de la troisième ?

Solution : U(pile) = U₁ + U₂ + U₃ 9 = 3,5 + 2,5 + U₃ U₃ = 9 - 6 = 3 V

Exercice type 2 : Circuit en dérivation

Cinq lampes sont branchées en dérivation sur une batterie de 12 V. Quelle est la tension aux bornes de chaque lampe ?

Solution : En dérivation, toutes les tensions sont égales : U(chaque lampe) = 12 V

Exercice type 3 : Circuit mixte

Une pile de 4,5 V alimente : - Branche 1 : deux lampes L₁ et L₂ en série - Branche 2 : une lampe L₃ Les deux branches sont en dérivation.

On mesure U(L₁) = 2 V.

Quelle est : a) U(L₃) ? b) U(L₂) ?

Solution : a) L₃ est en dérivation sur la pile : U(L₃) = 4,5 V

b) L₁ et L₂ sont en série : U(pile) = U(L₁) + U(L₂) 4,5 = 2 + U(L₂) U(L₂) = 2,5 V