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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...
Sommaire
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.
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)
Mesure
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.
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
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.
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
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.
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.
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).
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.
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
- Au niveau européen, les lignes hautes de tension de distribution électrique atteignent la tension de 400kV (400 kilovolts – soit 400000V).
- L'Anguille électrique est capable de produire des décharges de 500V à 600V pour paralyser ses proies.
- En France, les prises secteur domestiques délivrent une tension de 230V.
- De nombreux appareils électroniques grand public sont alimentés en 9V ou 12V grâce à un transformateur.
- Selon leur famille, les circuits intégrés des appareils électroniques fonctionnent en 5V ou 3,3V.
- Une pile baton AA (LR6) neuve délivre une tension d'un peu plus de 1,5V.
- Le transport de l'information dans le système nerveux implique des tensions autour de 70mV (70 millivolts – soit 0,07V).