E4	Tension électrique

1) Notion de tension électrique

Tension aux bornes d'une pile:

La borne négative d'une pile possède un excès d'électrons alors que ces électrons sont en défaut à la borne positive. La grandeur qui représente la concentration des charges est appelée "potentiel électrique".
Entre les 2 bornes P et N de la pile il existe donc une "différence de potentiel" (notée V_P-V_N) ou "tension électrique" (notée U_PN)

C'est à cause de cette différence de potentiel que la pile est capable de mettre en mouvement les électrons libres, on parle alors de "force électromotrice" de la pile.

Remarque: L'altitude d'un lieu ne peut se définir que par rapport à une altitude repère (niveau de la mer, niveau d'un aérodrome...)
De même, le potentiel en un point ne peut se définir que par sa différence avec un potentiel de référence ("masse" du circuit, potentiel de la borne négative...)

Tension entre deux points d'un circuit

Pour un circuit fermé donné, plus la force électromotrice (f.e.m.) de la pile est grande, plus le courant circulant dans le circuit est intense.
La concentration des électrons varie tout au long du circuit. C'est à la borne négative qu'elle est la plus forte et à la borne positive qu'elle est la plus forte.

Le potentiel V est maximal à la borne positive et minimal à la borne négative.

Entre deux points A et B d'un circuit on peut ainsi définir une différence de potentiel ( V_A-V_B) ou tension électrique (U_AB)

2) Mesure de la tension électrique

Unité de tension électrique

L'unité de tension électrique est le volt (en hommage à Alessandro Volta)
Le symbole du volt est: V.

Mesure d'une tension:

Pour mesurer une tension électrique on utilise un voltmètre.

Le symbole du voltmètre est:

Utilisation d'un voltmètre:

Pour mesurer la tension entre deux points A et B d'un circuit, on branche un voltmètre en dérivation entre ces deux points.

La borne marquée V doit être reliée au point A et la borne marquée COM au point B. On mesure alors la tension U_AB
Si l'on ignore l'ordre de grandeur de la tension à mesurer, il est prudent de placer le voltmètre sur son plus fort calibre lors du branchement.
Il faut ensuite réduire ce calibre, si nécessaire, pour obtenir un meilleur affichage: Le bon calibre est le plus petit calibre immédiatement supérieur à la mesure.

mesure de U_AB

3) Tension électrique dans les circuits

Tension aux bornes d'un dipôle isolé.

Si la tension aux bornes d'un dipôle isolé n'est pas nulle, le dipôle est un générateur.
Remarque: Une tension peut exister en l'absence de tout courant électrique.

Tension aux bornes d'un dipôle parcouru par un courant

Si un dipôle est parcouru par un courant, une tension électrique existe entre ses bornes.
Remarque: Un courant ne peut pas circuler en l'absence de tension.

Cas d'un fil de connexion:
La tension entre les deux extrémités d'un bon fil de connexion est négligeable.
Remarque: Le fil ne doit pas être trop long, ni trop fin. Sa résistance électrique doit être négligeable par rapport à la résistance du reste du circuit.

Cas d'un interrupteur:
La tension aux bornes d'un interrupteur fermé est négligeable comme la tension aux bornes d'un fil.

La tension aux bornes d'un interrupteur ouvert est égale à la tension aux bornes du générateur (circuit simple) ou à la tension aux bornes de la branche dans laquelle il est placé.

Conséquence: Lorsqu'un récepteur est relié à un générateur par de bons fils de connexion, la tension aux bornes du récepteur est égale à la tension du générateur puisqu'il n'y a pas de "chute de tension" dans les fils de connexion.

Loi d'additivité des tensions dans un circuit en série

La tension aux bornes d'un ensemble de dipôles en série est égale à la somme des tensions aux bornes de chacun d'eux.

Dans l'exemple ci-contre:
P et A sont au même potentiel
B et C sont au même potentiel
D et N sont au même potentiel

U_PN = U_AD = U_AB + U_CD

Loi d'égalité des tensions dans un circuit en dérivation

Deux dipôles branchés en dérivation aux bornes d'un générateur sont soumis à la même tension qui est celle du générateur.

Dans l'exemple ci-contre:
P, E, A et C sont au même potentiel
N, F, B et D sont au même potentiel

U_P_N = U_E_F = U_A_B = U_C_D

En résumé:

Additivité des tensions dans un circuit série	Egalité des tensions dans un circuit en dérivation.
La tension aux bornes d'un ensemble de dipôles en série est égale à la somme des tensions aux bornes de chacun d'eux.	Deux dipôles branchés en dérivation sont soumis à la même tension.

Généralisation

Soient 3 points quelconques A, B, C d'un circuit dont les potentiels sont respectivement V_A, V_B, V_C.

U_AB + U_BC = (V_A - V_B) + (V_B -V_C)

U_AB + U_BC = V_A - V_B + V_B - V_C = V_A - V_C

U_AB + U_BC = U_AC

4) Court-circuit

Un court-circuit se produit lorsque deux fils ayant des potentiels différents viennent en contact.
Le dipôle dont les bornes sont reliées par un conducteur est court-circuité.

Un dipôle court-circuité cesse de fonctionner car la tension à ses bornes devient négligeable et que le courant qui le traverse est également négligeable.

L'intensité augmente dans le circuit car la résistance électrique du court-circuit est beaucoup plus faible que celle du dipôle court-circuité.

Lorsqu'un générateur est court-circuité, le courant débité peut être très important car il n'est freiné que par la résistance interne du générateur et la résistance des fils (très faible). Ce courant peut détruire le générateur ou échauffer fortement les fils jusqu'à provoquer un incendie.
Remarque: Un accumulateur a une résistance interne plus faible que celle d'une pile. Un court-circuit le détruit en très peu de temps, alors qu'une pile peut supporter un court-circuit pendant quelques secondes.

E4	Questions Très Pertinentes

M. Jean de Nivelle (Belgique)
- Quelle est la différence entre "voltage" et "tension électrique"?
- "Voltage" est un terme impropre qui est parfois utilisé à la place de "tension électrique", de même que certains disent "ampérage" à la place d'intensité du courant. Evitez ces barbarismes.

Julien G. de Varennes (80)
- J'ai un voltmètre ancien qui n'a pas d'indication sur les bornes : ni +, ni -, ni V, ni COM. Comment dois-je le brancher?
- Si le voltmètre est polarisé, il doit exister un moyen de distinguer les deux bornes. Parfois il ne s'agit que de la couleur. La borne rouge est la borne d'entrée (+), la borne noire la borne de sortie (-)

Jocelyne R. de la Barre en Ouche (27)
- Sur le manche de mon tournevis je peux lire 8000 V. Est-ce une tension? Que signifie cette inscription?
- 8000 V signifie bien 8000 volts. C'est la tension d'isolation c'est-à-dire la tension maximale qui peut exister entre la lame du tournevis et la main qui tient le manche. Au-delà il se produit un claquage de l'isolant du manche qui se traduit par sa perforation et le passage d'une décharge qui risque fort d'être mortelle.