Sciences · Physique
Tension électrique
La tension électrique, notée U, est une différence d’état électrique (de potentiel) entre deux points d’un circuit. Elle s’exprime en volts (V) et se mesure avec un voltmètre branché en dérivation.
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La tension électrique est ce qui « pousse » les charges à se déplacer dans un circuit. Sans tension, aucun courant ne circule. On la note U, on l’exprime en volts (V), en hommage au physicien italien Alessandro Volta, inventeur de la pile en 1800, et on la mesure avec un voltmètre branché en dérivation, c’est-à-dire aux bornes du dipôle étudié. Une tension existe toujours entre deux points : parler de « la tension d’un point » n’a pas de sens.
Définition
Une image utile : le potentiel est comparable à une altitude et la tension à une différence d’altitude. L’eau ne coule que s’il y a une pente ; le courant ne circule que s’il y a une tension. Le volt est une unité dérivée du Système international : 1 V = 1 J/C, soit un joule d’énergie par coulomb de charge.
Unités et conversions
| Unité | Symbole | Valeur |
|---|---|---|
| Kilovolt | kV | 1 000 V |
| Volt | V | 1 V |
| Millivolt | mV | 0,001 V |
| Microvolt | µV | 0,000 001 V |
Ordres de grandeur
| Source | Tension |
|---|---|
| Signal nerveux (potentiel d’action) | Environ 0,1 V |
| Pile bâton AA | 1,5 V |
| Batterie de téléphone | Environ 3,7 V |
| Port USB | 5 V |
| Pile plate | 4,5 V |
| Batterie de voiture | 12 V |
| Prise électrique en France | 230 V (alternatif) |
| Prise électrique au Québec | 120 V (alternatif) |
| Caténaire de TGV | 25 000 V |
| Lignes à très haute tension (France) | 400 000 V |
| Éclair | Plusieurs centaines de millions de volts |
Tension continue et alternative
- Une tension continue garde une valeur constante dans le temps : piles, batteries, alimentations USB.
- Une tension alternative change de signe périodiquement : c’est celle du secteur, de fréquence 50 Hz en Europe et 60 Hz en Amérique du Nord. Les 230 V annoncés sont une valeur efficace ; la tension maximale atteint environ 325 V.
La différence est détaillée dans courant alternatif et continu. Pour lire une tension variable, on utilise un oscilloscope (voir fréquence et période).
Les lois de la tension
| Situation | Loi | Formule |
|---|---|---|
| Dipôles en série | Additivité des tensions | U_G = U₁ + U₂ |
| Dipôles en dérivation | Égalité des tensions | U = U₁ = U₂ |
| Fil ou interrupteur fermé | Tension nulle | U ≈ 0 V |
| Interrupteur ouvert (circuit série) | Il reçoit la tension du générateur | U = U_G |
Ces lois découlent de la loi des mailles. Pour une résistance, la tension est liée à l’intensité par la loi d’Ohm, U = R × I.
Mesurer une tension
Avec un multimètre en position voltmètre :
- Sélectionner le mode V continu (V suivi d’un trait droit, ou DC) ou V alternatif (V suivi d’une vague, ou AC).
- Brancher la borne V du côté de la borne + du dipôle et la borne COM du côté de la borne −.
- Placer les pointes aux bornes du dipôle, sans ouvrir le circuit : le voltmètre est en dérivation.
- Commencer par le calibre le plus élevé, puis l’ajuster.
Un voltmètre a une très grande résistance : il ne perturbe presque pas le circuit et ne crée pas de court-circuit.
Tension nominale
Sur une lampe, une pile ou un appareil figure une tension nominale : c’est la tension sous laquelle il fonctionne normalement. Une lampe 6 V branchée sur 4,5 V éclaire faiblement (sous-tension) ; branchée sur 12 V, elle brille très fort puis grille (surtension). Un chargeur 230 V ne doit pas être utilisé sur un réseau de tension différente sans vérifier qu’il l’accepte (la plupart des chargeurs modernes indiquent « 100–240 V »).
Erreurs fréquentes
- Brancher le voltmètre en série : il affiche alors presque toute la tension du générateur et le circuit ne fonctionne plus, car sa grande résistance bloque le courant.
- Parler de tension qui « circule » : c’est le courant qui circule ; la tension existe entre deux points.
- Additionner les tensions de dipôles en dérivation : en dérivation, elles sont égales.
- Confondre la tension d’une pile neuve et celle d’une pile en fonctionnement : la tension aux bornes d’une pile diminue légèrement quand elle débite un courant.
Exercice corrigé
Énoncé. Une pile de 4,5 V alimente une lampe et un moteur en série. Le voltmètre indique 2,7 V aux bornes de la lampe. 1) Quelle est la tension aux bornes du moteur ? 2) On remplace le montage par un montage en dérivation. Quelle tension reçoit chaque dipôle ? 3) Convertir 2,7 V en mV.
Corrigé.
- Additivité en série :
U_M = 4,5 − 2,7 = 1,8 V. - En dérivation, chaque dipôle reçoit 4,5 V.
2,7 V = 2 700 mV.
Questions fréquentes
Pourquoi la tension du secteur est-elle de 230 V en France et 120 V au Québec ?
Ce sont des choix historiques de normalisation propres à chaque réseau. L’Europe a harmonisé sa tension à 230 V ; l’Amérique du Nord a conservé un réseau en 120 V (et 240 V pour les gros appareils).
Une pile « vide » a-t-elle encore une tension ?
Oui, souvent proche de sa valeur nominale à vide, mais elle ne peut plus fournir assez de courant : sa tension chute dès qu’on la branche. C’est pourquoi un testeur de pile mesure sous charge.
Peut-on toucher une borne de 400 000 V sans danger ?
Seulement si l’on n’est relié à aucun autre point de potentiel différent, ce qui est presque impossible : à ces tensions, un arc électrique peut se former à distance. Seuls des techniciens spécialisés, avec un équipement adapté, interviennent sur ces lignes.