La tension électrique
A) Rappels
a) Définition
La tension électrique s’exprime en volt de symbole V.
La tension électrique UAB entre 2 points A et B est une grandeur algébrique.
La tension UAB est représentée sur le schéma par une flèche allant de B vers A.
b) La mesure avec un voltmètre
Pour mesurer la tension électrique UAB, on utilise un voltmètre placé en dérivation du dipôle AB : la borne « V » du voltmètre est connectée en A et la borne « com » est connectée en B (un système d’acquisition serait lui aussi branché en dérivation).
Remarque
Il faut bien prêter attention au branchement des appareils de mesure, sinon ils risquent d’être dégradés.
La tension UBA entre le point B et le point A est l’opposé de la tension UAB : UBA = – UAB.
La tension aux bornes d’un fil électrique est toujours nulle.
Si l’on branche le voltmètre à l’envers, on mesure une tension opposée.
Le voltmètre mesure la tension efficace de la tension. Il faut choisir au départ le calibre le plus grand pour ne pas abimer l’appareil de mesure.
B) La visualisation d’une tension
a) Les branchements
Il est possible de visualiser la tension UAB avec un oscilloscope ou un système d’expérimentation assistée par ordinateur (ExAO) que l’on place en dérivation aux bornes du dipôle AB.
On connecte :
la voie Y sur le point A (la voie est représentée par une flèche sur un schéma) ;
la masse de l’oscilloscope ou du système ExAO sur le point B.
Il est possible de suivre plusieurs tensions simultanément en connectant plusieurs voies et une ou plusieurs masses.
Exemple
On réalise le circuit ci-contre avec ces branchements :
combien de tensions sont visualisées ?
quelles sont les tensions suivies ?
Il y a 2 voies : 2 tensions sont donc suivies. La première tension suivie entre la voie Y1 en P et la masse en N est donc la tension UPN aux bornes du générateur.
La seconde tension suivie entre la voie Y2 en M et la masse en N est donc la tension UMN aux bornes de la résistance R.
b) La lecture d’un écran d’oscilloscope
Un écran d’oscilloscope peut être considéré comme un repère sur lequel va figurer la courbe représentant la tension suivie en fonction du temps.
L’axe vertical correspond à la tension observée et l’axe horizontal correspond au temps. On parle de « division » sur un oscilloscope, ce qui correspond à un carreau.
La face avant de l’oscilloscope comporte des boutons de réglage qui définissent :
l’échelle des tensions : Sv, la sensibilité verticale, qui s’exprime en V/div ;
l’échelle des temps : Sh, la sensibilité horizontale, qui a été étudiée au collège, mais on utilise de préférence au lycée le terme VB, vitesse de balayage (ou base de temps) qui s’exprime en ms/div.
Pour mesurer une tension, il faut donc multiplier le nombre de divisions verticales par la sensibilité verticale Sv et pour mesurer un temps, il faut donc multiplier le nombre de divisions horizontales par la vitesse de balayage VB (ou sensibilité horizontale Sh).
Exemple
On obtient la tension aux bornes d’une dynamo de bicyclette avec les réglages Sh = 10 ms/div et Sv = 2,0 V/div. La tension visualisée est variable (car non continue), alternative mais non sinusoïdale.
Pour déterminer la période T d’un signal variable sur l’écran de l’oscilloscope, on repère le nombre de divisions horizontales correspondant à une période et on multiplie ce nombre par la sensibilité horizontale Sh.
Ici la période s’étend sur 4,0 divisions, donc la période vaut T = 4,0 × 10 = 40 ms = 4,0 × 10–2 s.
La fréquence est le nombre de périodes par seconde. Elle s’exprime en hertz (Hz) et est l’inverse de la période T (en secondes) : f = .
Exemple
D’après l’exemple précédent : f= = 25 Hz.
Pour déterminer la tension maximale Umax, on repère le nombre de divisions verticales entre la ligne médiane et un maximum de la courbe et on multiplie ce nombre par la sensibilité verticale Sv.
Ici la tension maximale s’étend sur 2,0 divisions, donc elle vaut Umax = 2,0 × 2,0 = 4,0 V.
C) Des tensions périodiques importantes
Les tensions suivantes sont souvent rencontrées en électricité :
sinusoïdale (souvent alternative : successivement positive et négative) et périodique. Dans ce cas la tension efficace Ue mesurée à l’aide d’un voltmètre est liée à la tension maximale du signal : Um = , Um et Ue s’expriment en volts (V) ;
carrée ;
triangulaire, composée de segments de droite symétriques ;
en dents de scie, composée de segments de droite.
D) La loi des mailles
Dans un circuit électrique, une maille est un chemin permettant aux électrons libres de se déplacer et d’effectuer un tour complet (c’est-à-dire de partir d’un point et de pouvoir y revenir).
Dans un circuit en série, il n’y a qu’une seule maille alors qu’on en trouve plusieurs dans les circuits en dérivation.
Dans une maille, la somme algébrique des tensions est nulle. On peut écrire ici : U1 + U2 + U3 – U4 = 0, soit UAB + UBC + UCD – UAD = 0.
Exemple
Si U1 = UAB = 3,0 V, U2 = UBC = 5,0 V et U3 = UCD = 2,0 V alors U4 = U1 + U2 + U3 = 10 V.
Cette relation permet de trouver facilement une tension inconnue dans un circuit.
L'intensité du courant électrique
A) Rappels
On utilise le sens conventionnel du courant pour orienter un circuit : le courant parcourt le circuit, à l’extérieur du générateur, de la borne positive à la borne négative.
L’intensité du courant s’exprime en ampère de symbole A.
L’intensité du courant électrique se mesure à l’aide d’un ampèremètre, branché en série dans le circuit.
La borne « A » de l’ampèremètre est branchée du côté où arrive le courant électrique pour avoir une indication positive. Si la valeur lue est négative, c’est que le courant traverse l’ampèremètre de la borne « com » à la borne « A ».
L’intensité du courant a la même valeur en tout point d’un circuit en série ou d’une branche.
B) Le circuit comportant des dérivations : la loi des nœuds
La somme des intensités des courants qui arrivent à un nœud est égale à la somme des intensités des courants qui en repartent.
On peut écrire pour le nœud ci-contre : I1 + I4 = I2 + I3.
