M. SIVASUTHASARMA

10 avril 2020

Chapitre 6 : La tension électrique

Thème 2 : L’énergie et ses conversions

Table des matières I. LA TENSION ELECTRIQUE, DEFINITION. ............................................................................. 1 II. COMMENT MESURER LA TENSION ELECTRIQUE ? .................................................................. 2

1. COMMENT MESURER LA TENSION ELECTRIQUE AUX BORNES D’UN DIPOLE ELECTRIQUE ? .............. 2 A. REPRESENTATION D’UN MULTIMETRE EN VOLTMETRE .................................................... 2 B. UTILISATION D’UN MULTIMETRE EN VOLTMETRE. ......................................................... 2

2. NOTION DE GENERATEUR ET DE RECEPTEUR. .................................................................. 3 3. TENSION AUX BORNES DES DIPOLES DANS UN CIRCUIT. ....................................................... 3 4. TENSIONS ELECTRIQUES DANS LA VIE COURANTE. ............................................................. 3

III. LOI DES TENSIONS DANS CIRCUITS EN SERIE ........................................................................ 4 1. CONSTAT EXPERIMENTAL ......................................................................................... 4 2. GENERALISATION DU CONSTAT EXPERIMENTAL................................................................ 4

IV. LOI DES TENSIONS DANS LES CIRCUITS EN DERIVATION. ...................................................... 5 1. MISE EN EVIDENCE EXPERIMENTALE ............................................................................. 5 2. GENERALISATION ................................................................................................... 5

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Chapitre 6 : La tension électrique Thème 2 : L’énergie et ses conversions

I. La tension électrique, définition. Sur les piles que l’on retrouve dans le commerce on retrouve parfois l’inscription : 4,5 𝑉. Cette indication est la valeur de la tension électrique existant entre les deux bornes de la pile. Cette tension électrique, notée 𝑈, est une grandeur physique, et elle se mesure en volt de symbole V. Le nom de l’unité vient de l’inventeur de la première pile électrique : Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta.

Ainsi, la tension aux bornes de la pile se note : 𝑈 = 4,5 𝑉.

Pour bien comprendre la notion qui se cache derrière la tension électrique aux bornes d’un générateur de courant électrique, nous allons faire une analogie avec l’hydraulique en étudiant le fonctionnement d’une pompe.

Voici l’image d’une pompe (comparable à une pile électrique dans un circuit) qui permet de mettre en mouvement de l’eau (comparable aux électrons qui circulent dans un circuit électrique) :

Afin de permettre le mouvement de l’eau dans ce circuit, la pompe va exercer une différence de pression (phénomène physique déjà étudié dans les précédents chapitres), entre les points A et B. En effet la pompe va permettre d’obtenir une pression bien plus élevée au point B qu’au point A. C’est bien cette différence de pression qui va permettre à l’eau du circuit de circuler du point B vers le point A à l’extérieur de la pompe.

Dans un circuit électrique cette fois, la pile va fonctionner de manière tout à fait analogue afin de mettre en mouvement les porteurs de charges dans un circuit électrique :

Ici, la pile va permettre d’obtenir une différence de potentiel électrique entre les points A et B, c’est-à-dire entre les bornes positive et négative de la pile. C’est bien cette différence de potentiel électrique qui s’appelle la tension électrique notée 𝑈 et qui se mesure en volt noté 𝑉.

Définition :

La tension électrique d’une pile est la différence de potentiel électrique entre les deux bornes de la pile qui permet la mise en mouvement des électrons.

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I I . Comment mesurer la tension électrique ?

1. Comment mesurer la tension électrique aux bornes d’un dipôle électrique ?

La tension électrique aux bornes d’un dipôle électrique se mesure à l’aide d’un voltmètre ou bien d’un multimètre (en mode voltmètre) branché en dérivation par rapport au dipôle.

Expérience : Mesurons la tension aux bornes d’une pile :

Le multimètre indique une tension électrique de 𝑈 = 4,22 𝑉.

Exemple :

Dans nos prises électriques entre la borne positive et négative, il existe une tension de 230 𝑉.

a. Représentation d’un mult imètre en voltmètre Dans le schéma d’un circuit, voici comment on représente le voltmètre :

Un multimètre permet de réaliser différentes mesures électriques, selon la façon dont il est branché. Utilisé un Voltmètre, il permet la mesure d’une tension électrique.

b. Uti l isat ion d’un multimètre en vol tmètre. Pour mesurer la tension électrique aux bornes d’un dipôle il faut :

1- Connecter les bornes V et COM du multimètre en dérivation sur le dipôle aux bornes duquel on veut mesurer la tension. Pour que la mesure donnée par le multimètre soit positive, il faut que la borne V du multimètre soit dirigée vers borne positive du générateur. Inversement, il faut que la borne COM du multimètre soit dirigée le pôle « - » du générateur (de manière analogue à la mesure de l’intensité du courant électrique avec un ampèremètre). 2- Placer le sélecteur dans la zone de mesure de tension continue (V) et sur le calibre le plus élevé (1000). On améliore ensuite la précision de la mesurer en se plaçant sur le calibre le plus proche de la valeur affichée mais qui doit toujours être

supérieur à la valeur mesurée.

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Exemples :

� Pour mesurer une tension de 24 V, le bon calibre est 200 car le calibre 20 est plus petit que 24. � Pour mesurer une tension de 4.5 V , le bon calibre est 20. � Pour mesurer une tension de 1.5 V, le bon calibre et 2.

Si jamais vous choisissez un calibre inférieur à la valeur de la tension mesurée, le voltmètre affiche « 1-», il faut alors augmenter le calibre.

2. Notion de générateur et de récepteur. A savoir :

Aux bornes de la lampe seule, le voltmètre ne détecte aucune tension. La lampe est donc un récepteur, il n’existe pas de tension à ses bornes lorsqu’elle est isolée (c’est-à-dire lorsqu’elle n’appartient à aucun circuit électrique).

En revanche, lorsqu’on mesure la tension aux bornes d’une pile isolée (n’appartenant pas à un circuit électrique), on mesure bien une tension non nulle. Cela signifie que la pile est un générateur (voir II.1).

3. Tension aux bornes des dipôles dans un circuit. Expérience : Réalisons le montage suivant :

Ici, le montage contient un générateur (6V), une lampe et un interrupteur.

Mesurons la tension aux bornes des dipôles lorsque le circuit est ouvert et fermé.

Observations :

Dans un circuit ouvert, la tension aux bornes de la lampe est nulle, elle ne brille pas. En revanche, il existe une tension aux bornes de la pile. Toujours dans un circuit ouvert, le voltmètre indique une tension de 6 V aux bornes de l’interrupteur, la même que celle du générateur.

Dans un circuit fermé, il y a une tension aux bornes de la lampe qui est égale à celle du générateur. La lampe ne brille donc que s’il existe une tension entre ses bornes. Dans un circuit fermé, la tension aux bornes de l’interrupteur est pratiquement nulle.

Conclusion :

Dans un circuit ouvert, la tension aux bornes de l’interrupteur est égale à celle du générateur. Il peut donc y avoir danger, même en l’absence de courant. Un dipôle ne peut être parcouru par un courant s’il n’existe pas une tension non nulle à ses bornes.

4. Tensions électriques dans la vie courante. Voici quelques ordres de grandeurs de valeurs de tensions que l’on peut rencontrer dans la vie courante :

� Tensions dans le corps humain (neurones, activité musculaire etc.) : 0,000 001 𝑉.

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� Tensions mesurées en travaux pratiques en classe dans les circuits électriques : de 1 à 12 𝑉.

� La tension des lignes de transport d’électricité : de 20 000 à 400 000 𝑉.

III. Loi des tensions dans circuits en série

1. Constat expérimental On réalise le montage suivant :

On réalise le montage en série d’une pile avec une lampe et d’une résistance. On remarque que :

𝑈 = 𝑈1 + 𝑈2

La tension aux bornes du générateur est égale à la somme des tensions des dipôles récepteurs branchés en série :

2,63 + 1,98 = 4,61 𝑉

2. Généralisation du constat expérimental En réalisant l’expérience précédente nous venons de redécouvrir une loi physique : la loi d’additivité des tensions électriques dans un circuit en série. En voici l’énoncé :

« Dans un circuit en série, la tension aux bornes du générateur est égale à la somme des tensions aux bornes des autres dipôles. Cette loi d’additivité des tensions ne dépend ni de la nature des dipôles, ni de leur nombre, ni de leur place dans le circuit. Il s’agit d’une loi universelle. »

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IV. Loi des tensions dans les circuits en dérivation .

1. Mise en évidence expérimentale On réalise le montage suivant :

Dans ce montage, nous avons branche une pile avec deux lampes en dérivation. Nous mesurons la tension électrique aux bornes de chaque dipôle, à savoir, la pile et les deux lampes.

On constate alors que :

𝑈 = 𝑈1 = 𝑈2

La tension aux bornes de chaque lampe est égale à la tension aux bornes du générateur.

2. Généralisation En réalisant l’expérience précédente, nous venons en réalité de redécouvrir une loi, la loi d’unicité des tensions dans un circuit en dérivation. En voici l’énoncé :

« Les tensions aux bornes de dipôles en dérivation sont égales. Cette loi est universelle, elle est valable quelque soit la nature, le nombre et l’ordre des dipôles banchés en dérivation sur le générateur. »

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