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Le volt — Le volt est l'unité de mesure de la tension électrique.

Cette unité a été baptisée ainsi en hommage à Alessandro Volta inventeur de la pile électrique en 1800.

L'intensité, la résistance et la tension constituent les trois grandeurs électriques de base indispensables à la compréhension de n'importe quel circuit électronique.

En apparence, la tension est des trois celle qui semble la plus familière: en effet, si je vous dit que l'unité de tension est le volt cela devrait au moins vous évoquer quelque chose. Mais comme vous allez le voir, les choses ne sont pas toujours aussi simples qu'on le pense...

Notions de base

L'électricité

Vous le savez si vous avez lu l'article sur l'intensité, c'est le mouvement des porteurs de charge qui constitue le courant électrique. Or, pour se déplacer, ces charges nécessitent de l'énergie. Dans un circuit électrique, certains éléments (les générateurs) fournissent de l'énergie aux charges. Alors que d'autre (les récepteurs) leur en prenne. La tension mesure la quantité d'énergie gagnée ou perdue par une charge lors de son cheminement entre deux points d'un circuit.

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Tension et charge — La tension représente l'énergie nécessaire pour déplacer chaque charge. On comprend bien sur l'illustration que sur certaines sections du chemin, il faudra communiquer de l'énergie aux charges pour les faire avancer (sections A-B et C-D). À l'inverse sur la section B-C, la charge n'a besoin de personne: elle peut consacrer une partie de sa propre énergie pour dévaler la pente.

Ce dessin illustre également l'aspect relatif de la tension: même si de C à D, le chemin remonte un peu et nécessite une poussée supplémentaire, globalement, de B à D, la tension est négative. Enfin, on comprend aussi que la tension est une grandeur orientée: si dans le sens illustré, de B à C, ça descend, si on considère le chemin en sens inverse, cette descente devient une montée.



AC/DC

Si on s'imagine le courant électrique comme un fluide s'écoulant dans un tuyau, on peut se figurer deux manières de le mettre en mouvement: soit en le faisant s'écouler toujours dans la même direction, soit en le faisant continuellement avancer puis reculer.

Quand la tension aux bornes d'un générateur de tension est toujours de même signe, on parle alors de tension continue. Dans ce cas, les porteurs de charge vont toujours se déplacer dans la même direction. Par conséquent, cela génère également un courant continu (DC pour direct current en anglais).

À contrario, quand la tension aux bornes d'un générateur est alternativement positive puis négative, on parle de tension alternative. Dans ce cas les porteurs de charge vont successivement dans une direction puis dans l'autre (globalement, ils n'avancent pas). Cela génère un courant alternatif. (AC pour alternative current en anglais)

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Alternatif ou continu — Une tension continue entraine les charges toujours dans le même direction. Le courant produit est lui aussi continu.

Une tension alternative entraine les charges tour à tour dans une direction puis dans l'autre. Le courant produit est lui aussi alternatif.



Mesure

Voltmètre (symbole).png

Le voltmètre — Représentation symbolique d'un voltmètre dans un circuit.

Une mesure de tension se fait toujours entre deux points et elle permet de déterminer le gain ou la perte d'énergie par charge électrique entre ces points. L'appareil utilisé pour mesurer les tensions est le voltmètre. Aujourd'hui on utilise plus généralement un multimètre doté d'une position voltmètre généralement identifiée par la lettre V. On peut aussi visualiser une tension qui évolue au cours du temps à l'aide d'un oscilloscope. Une mesure de tension se fait toujours en dérivation. C'est à dire en parallèle du composant aux bornes duquel on veut mesurer la tension.

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Mesure de tension — Pour mesurer une tension on place le voltmètre en dérivation, c'est à dire en parallèle du composant aux bornes duquel on veut mesurer la tension.

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Tension sur un conducteur — On considère habituellement que sur de courtes distances, la tension entre deux points quelconques d'un fil électrique est nulle (zéro volt).

Mesure tension DC.png

Mesure de tension continue — Lors d'une mesure de tension continue (position VDC), si on inverse les sondes, la valeur absolue de la mesure reste identique, mais son signe est inversé.

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Mesure de tension sur circuit ouvert — Parfois on est amené à mesurer une tension sur un circuit ouvert. Par exemple, pour vérifier la tension aux bornes d'une pile. En réalité, quand on effectue la mesure, le circuit est fermé par le voltmètre: en effet, celui-ci possède sa propre résistance interne (qu'on suppose très grande). La mesure effectuée est donc celle de la tension aux bornes de cette résistance.


Mesure tension pile.png

Mesure de tension avec un multimètre — Pour mesurer une tension avec un multimètre, vous devrez le placer sur la position voltmètre. Celle-ci est la plupart du temps identifiée par la lettre V. Si vous mesurez une tension continue, vous utiliserez VDC. Si vous mesurez une tension alternative, vous utiliserez la position VAC.

Reliez ensuite la sonde de la masse commune (COM) au premier point de mesure, puis l'autre sonde (V) au second point de mesure. Le multimètre affichera la tension entre ces deux points.

Sur cette illustration, on peut constater de la tension aux bornes de la pile est de 1,489V – très proche de sa tension théorique de 1,5V: cette pile est bonne pour le service.


Habituellement, sur un circuit électronique, les différentes mesures de tensions sont effectuées par rapport à un même point de référence appelé la masse. Ainsi, quand sur un circuit imprimé vous voyez une indication +5V, cela signifie qu'il existe une tension de 5V entre la masse et ce point. On a aussi tendance à considérer que « la masse est à 0V » (zéro volt). C'est un abus de langage: en effet, par rapport à elle-même, la masse a bien une tension de 0V. Mais il peut exister une tension non nulle entre les masses de deux circuits électriques différents!

Représentation

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Représentation d'une tension — On représente une tension sur un schéma par une flèche dont les extrémités indiquent les points entre lesquels la tension est mesurée.

Habituellement, on considère que la tension sur un fil conducteur est nulle (0V). Même si en réalité ce n'est pas tout à fait le cas à cause de la résistance du conducteur.

La tension est une grandeur algébrique dont le sens de la flèche sert à interpréter le signe. Une tension positive indique que les charges gagnent en énergie dans le sens de la flèche. Une tension négative indique que les charges perdent de l'énergie dans le sens de la flèche. Bien sûr, si on inverse la flèche, le signe de la tension est inversé. Cela constitue simplement deux points de vue du même phénomène, tout aussi corrects l'un que l'autre.

Sur un schéma, on représente habituellement une tension par une flèche située à côté du circuit. La flèche représente la tension entre le sommet et la base de la flèche. Habituellement, quand on souhaite donner un nom à une tension (souvent inconnue), on utilise la lettre U. Et on utilise des indices pour distinguer les différentes tensions: U1, U2, etc.

La tension est une grandeur algébrique (avec un signe): quand elle est positive, cela signifie que les charges ont plus d'énergie à l'arrivée de la flèche qu'à son départ. Quand la tension est négative, cela signifie que les charges ont moins d'énergie à l'arrivée de la flèche qu'à son départ. On comprend facilement que lorsqu'on inverse le sens de flèches qui représentent la tension, on inverse du même coup le signe de celle-ci.

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Représentation d'une tension entre deux points — Parfois on indique en indice les points entre lesquels la tension est mesurée.

Ainsi, la notation UAC signifie la tension entre les points A et C. L'ordre des lettres dans cette notation est important: la première désigne l'extrémité de la flèche. La seconde, son point de départ. Si on inverse les lettres dans cette notation ( UACUCA), cela revient à inverser le sens de la flèche et le signe de la tension.

On utilise aussi parfois des paires de lettres en indice: UAB, UBC, UCA, ... Dans ce cas, la règle implicite est que la tension désignée ainsi est celle entre le point du circuit identifié par la première lettre et le point identifié par la seconde lettre.

Attention: les documentations en anglais utilisent plutôt la lettre V que la lettre U. Par ailleurs, on trouve également Vin pour identifier la tension d'entrée (in en anglais) d'un circuit. Cela ne veut pas dire la tension entre les points I et N du circuit! Comme souvent, un peu de réflexion et l'observation attentive du schéma permet d'éviter de tomber dans de tels pièges...


Source de tension

Source de tension (symbole).png

Source de tension — Il existe plusieurs représentations symboliques pour une source de tension continue dans un circuit.

Il existe de nombreuses autres sources de tensions. Certaines, comme la pile électrique, fournissent des tensions continues, c'est à dire dont la valeur n'évolue pas dans le temps. D'autres fournissent des tensions alternatives, c'est à dire dont la valeur varie dans le temps. C'est le cas par exemple des prises secteur de votre domicile qui fournissent 230V alternatifs.

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Pile électrique — Une pile électrique est un dispositif qui fournit une tension à ses bornes. La pile bâton classique de type AA (LR6) a une tension nominale de 1,5V. Neuve, sa tension réelle est légèrement au dessus, et elle décroit au fur et à mesure de l'usure de la pile.

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Association en série de sources de tension — Quand on associe en série des sources de tension, leurs tensions s'additionnent. Ainsi, en associant en série deux piles fournissant 1,5V on obtient un montage fournissant 3V.

La source de tension la plus accessible est sans doute la pile électrique. Quand on associe plusieurs sources de tension en série, leurs tensions s'additionnent. Ainsi, en associant en série plusieurs piles de 1,5V, je peux générer une tension de:

  • 3V (avec deux piles)
  • 4,5V (avec trois piles)
  • 6V (avec quatre piles)
  • etc.


Association de tensions

Des tensions qui apparaissent en série dans un circuit s'additionnent algébriquement. C'est à dire en respectant le signe et le sens des flèches.

À l'inverse aux extrémités des branches parallèles d'un circuit, la tension est identique, quel que soit le nombre de branches et les composants qui les composent.

Pile et résistance série.png

Association en série — Ce montage est composé de deux piles 1,5V et de trois résistances identiques montées en séries.

Il est facile de se rendre compte que la tension entre les fils A et B est de 3V: c'est la somme des tensions délivrées par les piles. Cette tension de 3V existe aussi bien sur la branche contenant les piles, que sur celle contenant les résistances. Si ce n'est pas évident, pensez à la tension en terme d'altitude: si pour aller d'un point A à un point B vous grimpez de 3m, vous monterez aussi de 3m pour aller de A à B par un autre chemin.

On peut donc en déduire que la tension est aussi de 3V sur la branche contenant les résistances. Comme celles-ci sont identiques, il n'est pas difficile de déduire que chacune fait tomber la tension de 1V. À nouveau, si ce n'est pas clair, pensez en terme de hauteur: si vous devez franchir trois marches identiques pour monter de 3m, c'est que chaque marche fait 1m.

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Association en parallèle — Ce montage associe une pile et trois résistances en parallèle. Les résistances n'ont pas besoin d'être les mêmes. Ici, la tension délivrée par la pile est de 1,5V. C'est aussi la tension qu'on observe aux bornes de chacune des résistances. En effet, la tension est identique dans toutes les branches parallèles d'un circuit. On peut se représenter cette propriété en se disant que chaque branche constitue un chemin différent pour atteindre la même tension. Dans ces conditions, on comprend que quel que soit le chemin emprunté, il a faut grimper autant.

Cette propriété a été généralisée en 1845 avec la loi de mailles de Kirchhoff.



Loi des mailles

Une maille un chemin qui permet de revenir à son point de départ. La loi des mailles énoncée par Gustav Kirchhoff en 1845 stipule que sur toutes les mailles d'un circuit, la somme algébrique des tensions est nulle. Cela peut se comprendre aisément si on se représente les variations de tensions comme des variations d'altitude: si vous faites une randonnée, et quel que soit le chemin que vous prendrez, quand vous reviendrez à votre point de départ, vous aurez autant monté que descendu. Pour la tension, tout se passe pareil: sur une maille, il peut y avoir des endroits où la tension augmente (tension positive) et d'autres où la tension baisse (tension négative). Mais au final, la somme de ces tensions doit faire 0V (zéro volt).

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Loi des mailles — La loi des mailles énoncée par Gustav Kirchhoff en 1845 stipule que sur toutes les mailles d'un circuit, la somme algébrique des tensions est nulle.

Dans cet exemple, on peut facilement identifier trois mailles représentées par des couleurs différentes. Le choix du sens de parcours et du point de départ est totalement arbitraire.

On constate que lors du cheminement le long de la maille 1 (départ en A), on rencontre d'abord U2 qui se trouve dans le sens du parcours. Ce terme sera additionné. Puis on rencontre U1 qui est dirigée en sens inverse du parcours. Ce terme sera soustrait. Ensuite vient U4 lui aussi en sens inverse. Donc soustrait également. Et enfin on termine par U5 qui est dans le sens du parcours. Donc additionné. Nous sommes maintenant revenu au point de départ A, ce qui fait que:

+U2-U1-U4+U5=0V

En suivant la même logique pour les autres mailles, on peut obtenir les équations liant les tensions sur chacune d'entre elles.


Relation avec le courant et la résistance

Tout comme la pression de l'eau à votre robinet existe que l'eau coule ou pas, la tension existe que l'électricité circule ou pas. Mais, tant que le circuit est ouvert – c'est à dire tant qu'il n'y a pas un chemin qui permet à l'électricité de revenir à son point de départ – le courant électrique ne peut pas circuler (aller du + vers le -). Pour le fermer, on pourrait être tenté de relier directement les bornes de la source de tension entre elles. Mais c'est une mauvaise idée: en effet, cela crée ce que l'on appelle un court-circuit, c'est à dire un chemin par lequel l'électricité va pouvoir circuler très vite. Cela va produire beaucoup de chaleur – avec tous les risques que cela comporte.

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Circuit ouvert — Un circuit électrique est dit ouvert quand il n'existe pas de chemin par lequel l'électricité peut revenir à son point de départ. Dans un tel circuit, le courant ne circule pas. Par conséquent, dans le circuit représenté par l'illustration, la lampe reste éteinte.

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Court circuit — Si dans un circuit électrique il existe un chemin par lequel l'électricité peut revenir à son point de départ sans rencontrer la moindre résistance, on dit qu'il y a un court circuit. L'électricité étant paresseuse, elle va se précipiter pour circuler sur ce chemin. Or, comme sur ce chemin il n'y a rien pour réduire son débit, le courant va circuler à son débit maximum provoquant un échauffement qui peut être assez important pour causer des brûlures, faire fondre les fils ou encore provoquer un incendie.

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Circuit fermé — Quand il existe un chemin qui permet au courant de revenir à son point de départ, on dit que le circuit est fermé. Sur le circuit représenté ici, une résistance a été placée sur le circuit pour limiter le courant. Par ailleurs, celui-ci en circulant traverse la lampe ce qui la fait briller (elle s'allume).

Par convention, on représente le courant comme circulant du plus (+) vers le moins (-), même si on sait depuis le 19ème siècle qu'en réalité les électrons circulent dans l'autre sens.

En utilisation normale, on intercale toujours dans un circuit électrique un appareil qui va utiliser le courant: moteur, lampe, etc. Tous ont en commun d'opposer une résistance au passage du courant. Il existe d'ailleurs des composants électroniques qui portent le nom de résistance dont le seul but est justement de réduire le courant. Pensez-y comme à des réducteurs de pression.

Pression et débit

Ne commettez pas l'erreur de confondre tension et courant. C'est à dire les notions de pression et de débit. En effet, tout comme en hydraulique, les deux ne sont pas nécessairement liés.

Par exemple, on peut très bien avoir une tension importante et un courant faible. L'analogie ici est le nettoyeur haute-pression: celui-ci projette un jet d'eau sous forte pression (50 à 150 bar, parfois beaucoup plus) tout en gardant un débit raisonnable de l'ordre d'une dizaine de litre par minute.

A l'inverse, on peut imaginer un courant de forte intensité avec une tension faible: prenez l'exemple de la marée montante sur la plage. Ce sont des millions et des millions de litres d'eau qui arrivent, et pourtant on ne voit le sable se recouvrir que très lentement.

Ordres de grandeurs

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