Tension électrique

La tension électrique

Commence par une question que la 5ᵉ a laissée de côté : qu'est-ce qui pousse le courant dans un circuit ? L'intensité, que tu as vue au chapitre précédent, mesure le débit des charges qui circulent. La tension, elle, mesure tout autre chose : la « différence d'état électrique » entre deux points. C'est cette différence qui met le courant en mouvement, un peu comme une différence de hauteur fait couler l'eau d'un barrage.

Le point essentiel, qui distingue la tension de toutes les grandeurs vues jusqu'ici, est qu'une tension n'existe jamais en un seul point : elle se rapporte toujours à un couple de points. Cela a l'air d'un détail ; c'est le cœur du chapitre. On ne dit pas « la tension au point A », on dit « la tension entre A et B », ou « la tension aux bornes de la lampe ».

Pour insister sur ces deux points, on note souvent la tension avec deux indices : $U_{AB}$ désigne la tension entre le point A et le point B. L'ordre compte, mais à ton niveau on retiendra surtout : une tension, c'est toujours « d'un point à un autre ».

Une idée intuitive : l'état électrique « avant » et « après »

Imagine que chaque point d'un circuit possède un certain « niveau électrique », comme l'altitude d'un point sur une montagne. La tension aux bornes d'un dipôle, c'est la différence de niveau entre l'entrée et la sortie de ce dipôle.

Exemple 1. Aux bornes d'une lampe qui brille, le niveau électrique « avant » la lampe n'est pas le même qu'« après ». Cette différence, c'est la tension aux bornes de la lampe. Si elle vaut $3$ V, on écrit $U_{\text{lampe}}=3$ V.

Exemple 2. Une pile plate porte l'indication $\mathrm{4,5}$ V. Cela signifie qu'elle maintient une tension de $\mathrm{4,5}$ V entre ses deux bornes, comme un barrage maintient une différence de hauteur entre l'amont et l'aval.

L'unité et ses dérivés

Comme pour l'intensité, l'unité officielle — le volt — s'accompagne d'un sous-multiple et d'un multiple pour exprimer commodément les très petites et les très grandes tensions.

Exemple 3. La tension d'une pile de télécommande est $\mathrm{1,5}$ V, soit $1500$ mV. Un capteur peut délivrer une tension de $250$ mV, soit $\mathrm{0,25}$ V. Les lignes à haute tension de l'ONEE qui traversent le pays transportent des dizaines de kilovolts.

Mesurer la tension : le voltmètre

Pour mesurer une intensité, tu as appris à insérer l'ampèremètre dans le circuit. Pour la tension, l'appareil est le voltmètre, et — c'est une différence fondamentale — il ne se branche pas du tout de la même façon.

La raison est logique : puisqu'une tension se mesure entre deux points, le voltmètre doit toucher les deux points à la fois. On le pose donc « en travers » du dipôle, une borne de chaque côté, sans couper le circuit.

Les bornes COM et V, et le sens du branchement

Un voltmètre possède deux bornes utiles : une borne COM (commune, repérée en noir) et une borne V (repérée en rouge). Pour obtenir une mesure positive, il faut respecter le sens du branchement.

Exemple 1. Salma branche son voltmètre à l'envers et lit $-3$ V. La lampe n'est pas « cassée » et la mesure n'est pas fausse en grandeur : il y a bien $3$ V à ses bornes. Le signe « − » signale seulement que COM et V sont inversés. En les permutant, elle lirait $+3$ V.

Le calibre et la lecture

Comme pour tout appareil de mesure, on choisit un calibre : la tension maximale que l'appareil peut afficher sur la position choisie. La règle est la même que pour l'ampèremètre : on prend le plus petit calibre supérieur à la valeur attendue, pour gagner en précision.

Exemple 2. Pour mesurer la tension aux bornes d'une lampe alimentée par une pile de $\mathrm{4,5}$ V, on choisit le calibre $20$ V plutôt que le calibre $2$ V (trop petit, l'appareil afficherait un dépassement) et plutôt que $200$ V (trop grand, on perdrait des décimales).

Tension aux bornes d'un dipôle et tension à vide

Tous les dipôles n'ont pas une tension à leurs bornes. Certains, parcourus par le courant, n'en ont quasiment aucune ; d'autres, alors qu'aucun courant ne passe, en ont une bien réelle. Comprendre ces cas évite la plupart des erreurs de raisonnement.

Le fil de connexion : une tension nulle

Un fil de connexion idéal ne « consomme » rien : le niveau électrique est le même à ses deux extrémités. La tension à ses bornes est donc nulle.

Exemple 1. Yasmine mesure la tension aux bornes du fil reliant la pile à la lampe : le voltmètre affiche $0$ V. Ce n'est pas une panne, c'est normal : un fil ne crée aucune différence d'état électrique.

L'interrupteur ouvert : une tension non nulle

Le cas le plus surprenant. Quand un interrupteur est ouvert, aucun courant ne circule dans le circuit — et pourtant la tension à ses bornes n'est pas nulle. C'est même là que se retrouve toute la tension du générateur.

Exemple 2. Dans un circuit pile $\mathrm{4,5}$ V + lampe + interrupteur ouvert, la lampe est éteinte. La tension à ses bornes est nulle (pas de courant, pas de différence). Mais aux bornes de l'interrupteur ouvert, on mesure environ $\mathrm{4,5}$ V : toute la tension de la pile « tombe » sur la coupure. Cela paraît contre-intuitif, mais c'est exactement ce que dit la loi d'additivité que tu verras plus loin.

La tension à vide d'une pile

On distingue enfin deux situations pour un générateur. Quand il ne débite aucun courant (rien n'est branché, ou le circuit est ouvert), la tension entre ses bornes s'appelle la tension à vide.

Exemple 3. Une pile plate neuve, posée sur la table sans rien y brancher, présente entre ses bornes sa tension à vide d'environ $\mathrm{4,5}$ V. Dès qu'on y branche une lampe et que le courant circule, la tension à ses bornes baisse légèrement : c'est pourquoi on parle de tension « à vide » pour le cas sans courant.

La tension dans un circuit en série

Tu vas maintenant relier les tensions entre elles. Quand plusieurs dipôles sont branchés en série (les uns à la suite des autres, sur une seule boucle), leurs tensions ne sont pas indépendantes : elles obéissent à une loi simple et puissante.

C'est l'analogue, pour la tension, de ce que tu retiendras plus tard sous le nom de loi des mailles. L'idée intuitive : la « différence de niveau » totale imposée par la pile se répartit, en s'additionnant, sur les dipôles successifs.

Exemple 1. Une pile de $\mathrm{4,5}$ V alimente deux lampes identiques en série. La tension se partage : chaque lampe reçoit $U_1=U_2=\mathrm{2,25}$ V, et l'on vérifie $U_1+U_2=\mathrm{2,25}+\mathrm{2,25}=\mathrm{4,5}$ V $=U$.

Exemple 2. Une pile de $6$ V alimente en série une lampe et un moteur. On mesure $U_{\text{lampe}}=2$ V. Alors la tension aux bornes du moteur vaut $U_{\text{moteur}}=U-U_{\text{lampe}}=6-2=4$ V. La loi d'additivité permet de déduire une tension qu'on n'a pas mesurée directement.

Pourquoi l'interrupteur ouvert porte toute la tension

Cette loi explique le cas surprenant de la leçon précédente. Dans un circuit série pile + lampe + interrupteur ouvert, la lampe éteinte n'a aucune tension à ses bornes ($U_{\text{lampe}}=0$). La loi d'additivité impose alors : $U_{\text{pile}}=U_{\text{lampe}}+U_{\text{interrupteur}}=0+U_{\text{interrupteur}}$ donc $U_{\text{interrupteur}}=U_{\text{pile}}$. Toute la tension se retrouve bien aux bornes de l'interrupteur ouvert. Ce n'est plus un mystère, c'est une conséquence directe de la loi.

La tension dans un circuit en dérivation

Le branchement en dérivation (en parallèle) obéit à une loi tout aussi simple, mais de nature opposée à celle de la série. Au lieu de s'additionner, les tensions deviennent égales.

L'intuition revient à la définition même de la tension. Deux dipôles en dérivation ont leurs bornes reliées aux deux mêmes points du circuit. Comme la tension est la différence d'état électrique entre ces deux points, elle est forcément la même pour tous les dipôles qui les relient.

Exemple 1. Deux lampes branchées en dérivation aux bornes d'une pile de $\mathrm{4,5}$ V reçoivent chacune $\mathrm{4,5}$ V. C'est pour cela qu'à la maison, toutes les prises et lampes (branchées en dérivation) sont soumises à la même tension du secteur : qu'on en allume une ou dix, chacune reçoit la tension prévue.

Exemple 2. Karim affirme : « En dérivation, comme en série, la tension de la pile se partage entre les deux lampes. » C'est faux. En dérivation, la tension ne se partage pas : chaque lampe reçoit la totalité de la tension. C'est l'intensité, elle, qui se partage entre les branches — mais ça, c'est l'autre chapitre.

Pièges classiques

Piège 1 : croire qu'une tension existe « en un point ». Une tension se mesure toujours entre deux points, jamais en un seul. « La tension au point A » n'a aucun sens ; il faut dire « la tension entre A et B » ou « aux bornes de la lampe ». C'est la propriété la plus structurante du chapitre.

Piège 2 : brancher le voltmètre en série. L'ampèremètre se branche en série (dans le circuit), le voltmètre se branche en dérivation (aux bornes du dipôle). Inverser les deux est l'erreur de manipulation la plus fréquente. Retiens : on mesure une tension « en travers », sans couper le circuit.

Piège 3 : paniquer devant une tension négative. Si le voltmètre affiche $-3$ V, le dipôle n'est pas cassé et la mesure n'est pas absurde : la tension vaut $3$ V en grandeur. Le signe « − » signale seulement que les bornes COM et V sont inversées. On permute, et c'est réglé.

Piège 4 : croire qu'un interrupteur ouvert a une tension nulle. Au contraire : pas de courant ne veut pas dire pas de tension. Aux bornes d'un interrupteur ouvert en série, on retrouve toute la tension du générateur, car la lampe éteinte n'en consomme aucune. C'est le fil et l'interrupteur fermé qui ont une tension nulle.

Piège 5 : confondre la loi de la série et celle de la dérivation. En série, les tensions s'additionnent ($U=U_1+U_2$). En dérivation, elles sont égales ($U_1=U_2$). Appliquer l'additivité à un montage en dérivation (ou inversement) fausse tout. Demande-toi toujours : les dipôles sont-ils sur une seule boucle (série) ou entre deux mêmes points (dérivation) ?

Piège 6 : confondre les lois de la tension et celles de l'intensité. C'est le piège miroir. En série, la tension se partage mais l'intensité est la même partout. En dérivation, la tension est la même mais l'intensité se partage. Tension et intensité suivent des lois croisées : ne plaque pas la règle de l'une sur l'autre.

Application concrète

Yasmine prépare une guirlande pour une fête de quartier à Casablanca. Elle dispose d'une pile plate de $\mathrm{4,5}$ V, de deux petites lampes, d'un interrupteur, de fils et d'un voltmètre. Elle veut tout comprendre avant de tout brancher.

Étape 1 — Identifier où se mesure la tension.

Yasmine se rappelle la règle de base : une tension se mesure entre deux points, aux bornes d'un dipôle. Elle décide de mesurer la tension aux bornes de chaque lampe et aux bornes de la pile. Pour cela, le voltmètre se branchera en dérivation, jamais en série.

Étape 2 — Mesurer la tension à vide de la pile.

Avant de monter le circuit, elle pose le voltmètre directement sur les deux bornes de la pile, borne V côté +, borne COM côté −. Elle lit $\mathrm{4,5}$ V : c'est la tension à vide de la pile, celle inscrite dessus. Au premier essai elle avait lu $-\mathrm{4,5}$ V ; elle avait simplement inversé COM et V, et a permuté les fils.

Étape 3 — Brancher les deux lampes en série.

Yasmine monte la pile, les deux lampes identiques et l'interrupteur en série, sur une seule boucle. Interrupteur fermé, les deux lampes brillent faiblement. Elle mesure : $U_1=\mathrm{2,25}$ V aux bornes de la première lampe, $U_2=\mathrm{2,25}$ V aux bornes de la seconde. Elle vérifie la loi d'additivité : $U_1+U_2=\mathrm{2,25}+\mathrm{2,25}=\mathrm{4,5}$ V, soit bien la tension de la pile.

Étape 4 — Ouvrir l'interrupteur et mesurer la coupure.

Elle ouvre l'interrupteur : les lampes s'éteignent. Elle mesure alors la tension aux bornes des lampes — $0$ V, normal, plus de courant — puis aux bornes de l'interrupteur ouvert : $\mathrm{4,5}$ V. Surprise d'abord, puis elle comprend grâce à la loi d'additivité : $U_{\text{pile}}=U_{\text{lampes}}+U_{\text{interrupteur}}=0+\mathrm{4,5}$ V. Toute la tension « tombe » sur la coupure.

Étape 5 — Rebrancher les lampes en dérivation.

Pour que ses lampes brillent à pleine puissance, Yasmine les rebranche en dérivation, chacune dans sa propre branche entre les deux mêmes points. Cette fois, le voltmètre affiche $\mathrm{4,5}$ V aux bornes de chaque lampe : en dérivation, la tension ne se partage pas, elle est la même partout. Ses deux lampes brillent désormais à pleine intensité.

Conclusion.

En une seule soirée de bricolage, Yasmine a mobilisé tout le chapitre : mesurer une tension entre deux points avec un voltmètre en dérivation, distinguer tension nulle (fil) et non nulle (interrupteur ouvert), et appliquer les deux grandes lois — additivité en série, unicité en dérivation. Ces deux lois, que tu retiendras sous les noms de loi des mailles et loi des branches, sont exactement celles que tu réutiliseras au lycée pour analyser n'importe quel circuit, aussi compliqué soit-il.

À retenir

Avant les exercices, voici les règles essentielles à mémoriser.