Leçon N°9 :
La tension électrique
Situation problème
La figure ci-contre représente un groupe d’oiseaux posés sur des fils électriques à haute tension d’un poteau.
I.La tension électrique
1. Le potentiel électrique
Le potentiel électrique en un point d’un circuit électrique est une grandeur physique qui caractérise l’état électrique des charges électriques en ce point, il est noté V et s’exprime en volts (V).
2. La tension électrique
La tension électrique UAB entre deux points A et B d’un circuit électrique est la différence de potentiel entre ces deux points : UAB = VA − VB
Son unité dans le (S.I) est le volt (V).
Remarque :
3. Représentation de la tension électrique
Par convention, on représente la tension UAB entre les deux points A et B par une flèche orientée de B vers A : UA←B
Remarque : Le courant électrique dans un circuit électrique circule toujours du potentiel le plus grand au potentiel le plus petit.
| Modèle hydraulique | Modèle électrique |
|---|---|
| L’eau se déplace du haut de hauteur hH d’une montagne au bas de hauteur hB (hH > hB) | Le courant électrique circule du potentiel le plus grand Vp au potentiel le plus petit VN (Vp > VN) |
On considère les dipôles suivants :
- Représenter les tensions suivantes : UAB, UDC, UFE, UGH
- Calculer ces tensions sachant que : VA = 10 V, VB = 2 V, VC = 3 V, VD = −2 V, VE = −12 V, VF = −3 V, VG = 5 V, VH = 1 V
- Représenter le sens du courant électrique circulant dans ces dipôles.
II.Mesure de la tension électrique
Pour mesurer la tension électrique, on utilise un appareil qui s’appelle le voltmètre.
| Voltmètre | Schématisation | Branchement | La tension électrique |
|---|---|---|---|
| ❶ Le voltmètre est toujours branché en parallèle dans le circuit électrique. ❷ On relie la borne V (+) avec le point de potentiel le plus grand. |
Elle est calculée par la relation : U = C · nn0 avec : C : le calibre utilisé en (V) ; n : le nombre de divisions indiqué par l’aiguille ; n0 : le nombre de divisions du cadran. |
x : la classe du voltmètre, elle est déterminée par le constructeur.
⚠ Remarque : La valeur de la tension électrique s’écrit sous la forme : U ± ΔU
On mesure une tension U à l’aide d’un voltmètre dont le cadran contient 100 graduations. L’aiguille indique la graduation 68 lors de l’utilisation du calibre 10 V.
- Calculer la valeur de la tension U mesurée.
- Calculer l’incertitude absolue sur la mesure de la tension U. On donne : la classe du voltmètre est x = 2.
- Calculer l’incertitude relative sur la mesure de la tension U.
- Donner un encadrement de la valeur de U.
III.Propriétés de la tension électrique
| Type de circuit électrique | Circuit en série | Circuit en parallèle |
|---|---|---|
| Montage de circuit électrique | ||
| Propriétés de la tension électrique | Loi d’additivité des tensions : Dans un circuit en série, la tension électrique entre deux points est la somme de toutes les tensions entre les bornes des dipôles montés en série entre ces deux points. Exemple : UAD = UAB + UBC + UCD |
Les tensions électriques aux bornes de dipôles montés en parallèle sont égales. Exemple : UAB = UCD |
On considère le montage ci-contre. On donne : UPN = 12 V, UED = 7,63 V, et UBA = −4,32 V.
- Trouver la tension UBC, et la tension UFE.
- Représenter le sens conventionnel du courant électrique dans toutes les branches.
- Brancher des voltmètres sur le montage pour mesurer les tensions UAB, UED et UPN.
IV.Les tensions variables
1. Définition
2. Types de tensions variables
3. Visualisation d’une tension variable
a. L’oscilloscope
❶ L’écran quadrillé
❷ L’entrée Y1 de la voie 1 (borne rouge)
❸ La masse (borne noire)
❹ La sensibilité verticale SV en (V/div), elle indique à combien de volts correspond une division verticale
❺ La sensibilité horizontale SH en (s/div), elle indique à combien de secondes correspond une division horizontale
b. Propriétés des tensions alternatives périodiques
La valeur maximale Umax de la tension alternative périodique est la plus grande valeur prise par cette tension au cours du temps.
Y : le nombre de carreaux verticaux correspondant à la tension maximale ; SV : la sensibilité verticale.
Remarque : Pour une tension alternative sinusoïdale, on définit la valeur mesurée par un voltmètre qui s’appelle la tension efficace Ueff par la relation :
La période T est la plus petite durée nécessaire pour que la tension alternative périodique répète la même valeur.
X : le nombre de carreaux horizontaux correspondant à une période ; SH : la sensibilité horizontale.
La fréquence f est le nombre de périodes pendant une seconde :
On applique avec un GBF une tension alternative sinusoïdale aux bornes d’un oscilloscope. On voit le graphique ci-contre.
- Déterminer la sensibilité verticale SV et la sensibilité horizontale SH.
- Calculer la valeur maximale Umax de cette tension.
- Déduire la valeur efficace Ueff de cette tension.
- Calculer la période T de cette tension, et déduire sa fréquence f.