Tension électrique

Le cours

1. Introduction à la tension électrique\n\nLa tension électrique, aussi appelée différence de potentiel (ddp), est la grandeur qui mesure l'énergie que le générateur fournit par unité de charge pour les faire circuler dans le circuit. En Côte d'Ivoire, la tension standard est de 220 V pour le secteur domestique (monophasé) et 380 V pour l'industrie (triphasé).\n\nAnalogies courantes :\n- Chute d'eau ↔ différence de hauteur ↔ tension\n- Débit d'eau ↔ intensité\n\nDescription du schéma 1: Analogie hydraulique complète. Le schéma doit montrer : (1) Réservoir en hauteur = générateur, (2) Tuyau = conducteur, (3) Turbine = récepteur, (4) Différence de hauteur = tension U, (5) Débit d'eau = intensité I, (6) Vanne = interrupteur, (7) Frotements dans le tuyau = résistance R.\n\n## 2. Définition et unités\n\nDéfinition : La tension électrique $U_{AB}$ entre deux points A et B est le travail qu'il faut fournir pour déplacer une charge unité positive de A vers B.\n\n$$U_{AB} = V_A - V_B = \\frac{W_{A\\to B}}{q}$$\n\nOù :\n- $V_A$ et $V_B$ sont les potentiels électriques en A et B\n- $W_{A\\to B}$ est le travail pour déplacer la charge $q$\n- $q$ est la charge électrique\n\nUnités :\n- Volt (V) : unité SI\n- Sous-multiples : mV (10⁻³ V), µV (10⁻⁶ V)\n- Multiples : kV (10³ V), MV (10⁶ V)\n\nOrdres de grandeur en Côte d'Ivoire :\n- Pile AA : 1,5 V\n- Batterie voiture : 12 V\n- Secteur domestique : 220 V\n- Lignes haute tension : 90 kV, 225 kV\n- Foudre : jusqu'à 100 MV\n\n## 3. Mesure de la tension\n\nAppareil : Voltmètre ou multimètre en position V.\n\nBranchement : En parallèle (dérivation) avec le dipôle à mesurer.\n\nPrécautions :\n- Choix du calibre adapté\n- Respect de la polarité (+ et -)\n- Mesure hors tension pour le choix du calibre\n\nMesure à l'oscilloscope : Pour les tensions variables, permet de visualiser la forme d'onde.\n\nDescription du schéma 2: Mesure de tension aux bornes d'une résistance. Éléments : (1) Circuit série avec générateur, interrupteur, résistance, (2) Voltmètre branché en parallèle sur la résistance, (3) Bornes + et - correctement reliées, (4) Affichage : U = 4,5 V, (5) Ampèremètre en série pour mesurer I, (6) Légende complète.\n\n## 4. Lois des tensions en courant continu\n\n### Loi d'additivité des tensions (circuit série)\nDans un circuit série, la tension aux bornes du générateur est égale à la somme des tensions aux bornes des récepteurs.\n$$U_{\\text{générateur}} = U_1 + U_2 + U_3 + ...$$\n\n### Loi d'unicité des tensions (branches parallèles)\nDans des branches montées en parallèle, la tension est la même aux bornes de chaque branche.\n$$U_1 = U_2 = U_3 = ...$$\n\n### Loi des mailles (Kirchhoff)\nLa somme algébrique des tensions le long d'une maille fermée est nulle.\n$$\\sum U_{\\text{dans une maille}} = 0$$\n\n## 5. Tension variable\n\n### Tension continue : Valeur constante (ex: pile).\n\n### Tension alternative : Valeur qui change périodiquement (ex: secteur).\n\nParamètres d'une tension alternative :\n- Période T : temps pour un cycle complet (s)\n- Fréquence f : nombre de cycles par seconde (Hz) : $f = \\frac{1}{T}$\n- Valeur maximale $U_{\\text{max}}$ : amplitude\n- Valeur efficace $U_{\\text{eff}}$ : valeur continue qui produirait le même effet Joule\n\nRelation pour tension sinusoïdale : $$U_{\\text{eff}} = \\frac{U_{\\text{max}}}{\\sqrt{2}} \\approx 0,707 \\times U_{\\text{max}}$$\n\nEn Côte d'Ivoire : $U_{\\text{eff}} = 220 \\text{ V}$, donc $U_{\\text{max}} \\approx 311 \\text{ V}$, $f = 50 \\text{ Hz}$, $T = 0,02 \\text{ s}$.\n\n## 6. Types de tensions variables\n\nTension sinusoïdale : $$u(t) = U_{\\text{max}} \\sin(2\\pi f t + \\varphi)$$\n- Secteur électrique\n- Générées par les alternateurs des barrages\n\nTension en créneaux :\n- Électronique numérique\n- Signal d'horloge\n- Télécommunications\n\nTension triangulaire/sawtooth :\n- Balayage des écrans CRT\n- Synthèse sonore\n- Tests électroniques\n\nDescription du schéma 3: Visualisation de différentes tensions à l'oscilloscope. Éléments : (1) Oscilloscope avec grille, (2) Tension sinusoïdale : période T, amplitude $U_{\\text{max}}$, (3) Tension en créneaux : temps haut/th bas, (4) Tension triangulaire : montée et descente linéaires, (5) Échelles : temps/base 5 ms/div, tension/sensibilité 50 V/div, (6) Boutons de réglage.\n\n## 7. Problèmes de tension en Côte d'Ivoire\n\nChute de tension : Diminution de la tension en bout de ligne due à la résistance des fils.\n$$\\Delta U = R_{\\text{ligne}} \\times I$$\n\nConséquences :\n- Lampes qui brillent faiblement\n- Moteurs qui surchauffent\n- Appareils électroniques endommagés\n\nSolutions :\n- Augmenter la section des conducteurs\n- Réduire la longueur des lignes\n- Installer des transformateurs régulateurs\n- Équilibrage des charges sur les phases\n\n## 8. Sécurité électrique liée à la tension\n\nTensions dangereuses :\n- > 50 V en milieu sec\n- > 25 V en milieu humide\n\nProtections :\n- Isolation des conducteurs\n- Mise à la terre\n- Disjoncteurs différentiels\n- Distance de sécurité\n\nRisques spécifiques en C.I. :\n- Branchements directs sur lignes HT\n- Poteaux électriques non sécurisés\n- Fils tombés à terre après orages\n\n## 9. Applications pratiques\n\nDimensionnement d'installation solaire :\n- Choix tension système (12V, 24V, 48V)\n- Régulateur de charge adapté\n- Convertisseur DC/AC si nécessaire\n\nDiagnostic de panne :\n- Mesure tensions aux différents points\n- Identification chutes anormales\n- Localisation des défauts\n\nQualité de l'énergie :\n- Surveillance des variations\n- Filtrage des harmoniques\n- Compensation de la puissance réactive\n