Karamö, le prof virtuelLeçon 11 sur 17
La tension électrique et le voltmètre
Je sais brancher un voltmètre en dérivation, mesurer une tension et utiliser les lois des tensions dans un circuit en série et en dérivation.
- 55 min
- 5 exercices corrigés
- 2 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Définir la tension électrique et son unité, le volt
- Brancher correctement un voltmètre en dérivation et lire une mesure
- Appliquer la loi d'additivité des tensions (série) et l'égalité des tensions (dérivation)
- Utiliser les indications d'une pile ou d'une lampe et respecter les règles de sécurité
Avant de commencer : L'intensité du courant et l'ampèremètre ; le circuit électrique en série et en dérivation, les associations de piles (7e).
1Je découvre
Fatoumata, à Boké, prépare un petit montage pour la fête de l'école : une guirlande de lampes pour éclairer le stand de sa classe. Sur la pile plate, elle lit « 4,5 V ». Sur les petites lampes, elle lit « 3,5 V ». Sur la batterie de la moto de son père, il est écrit « 12 V ». Et sa mère lui répète : « Ne touche jamais aux fils de la prise, c'est du 220 volts, ça tue ! »
Fatoumata se demande ce que signifient tous ces « volts ». Pourquoi la pile ne donne-t-elle pas de décharge quand on la touche, alors que la prise est dangereuse ? Si elle branche deux lampes à la suite sur sa pile, chaque lampe reçoit-elle 4,5 V ?
Qu'est-ce que la tension électrique, comment la mesurer, et comment se répartit-elle dans un circuit ?
2Je comprends
1. La tension électrique
Un générateur (pile, batterie, prise du réseau) fait circuler le courant dans un circuit fermé. Il existe entre ses deux bornes une différence d'état électrique qui « pousse » le courant : c'est la tension électrique.
- Symbole : U.
- Unité : le volt, de symbole V (du nom du savant italien Alessandro Volta, inventeur de la pile).
- Multiples et sous-multiples : 1 kV = 1 000 V ; 1 V = 1 000 mV.
Une tension existe toujours entre deux points : on parle de « tension aux bornes » d'un appareil et on la note par exemple UAB (tension entre les points A et B).
| Source (valeurs usuelles) | Tension |
|---|---|
| Pile ronde | 1,5 V |
| Pile plate | 4,5 V |
| Batterie de moto ou de voiture | 12 V |
| Prise électrique de la maison | 220 V |
| Lignes à haute tension | plusieurs dizaines de milliers de volts |
Attention : au-delà de quelques dizaines de volts, une tension devient dangereuse pour le corps humain. Les piles de 1,5 V ou 4,5 V ne présentent pas de danger d'électrocution ; la prise de 220 V peut tuer.
2. Le voltmètre et son branchement
La tension se mesure avec un voltmètre. Son symbole est un cercle contenant la lettre V.
Règle essentielle : le voltmètre se branche en dérivation, c'est-à-dire aux bornes de l'appareil dont on veut connaître la tension : ses deux fils viennent se brancher de part et d'autre de cet appareil, sans ouvrir le circuit.
Polarité : la borne V du voltmètre est reliée au point le plus proche de la borne + du générateur ; la borne COM au point le plus proche de la borne −. Si on inverse, un signe « − » s'affiche (ou l'aiguille dévie à l'envers).
- mesure l'intensité I (en A)
- branché en série, dans la boucle
- bornes A (ou mA) et COM
- mesure la tension U (en V)
- branché en dérivation, aux bornes d'un appareil
- bornes V et COM
3. Le calibre et la lecture
Comme l'ampèremètre, le voltmètre a plusieurs calibres (par exemple 200 V, 20 V, 2 V). On commence par le plus grand, puis on descend pour gagner en précision, sans jamais choisir un calibre plus petit que la tension mesurée.
Pour un voltmètre à aiguille : U = C × nN (C calibre, n graduation lue, N nombre total de graduations).
Exemple
Calibre 10 V, échelle de 50 graduations, aiguille sur 23. Quelle tension ?
U = 10 × 23 ÷ 50 = 230 ÷ 50 = 4,6 V.
Méthode
Pour mesurer une tension aux bornes d'un appareil :
- Je repère les deux bornes de l'appareil.
- Je relie la borne V du voltmètre du côté de la borne + du générateur et la borne COM du côté de la borne −.
- Je choisis le plus grand calibre, puis je descends si possible.
- Je lis la valeur et je l'écris avec l'unité (V).
- Je n'ouvre jamais le circuit pour brancher le voltmètre.
4. Quelques mesures importantes
- Aux bornes d'une pile isolée (non branchée) : on mesure une tension, par exemple 4,6 V pour une pile plate neuve. Une pile a une tension à ses bornes même quand aucun courant ne circule.
- Aux bornes d'un fil de connexion ou d'un interrupteur fermé : la tension est pratiquement nulle (0 V).
- Aux bornes d'un interrupteur ouvert : on mesure une tension presque égale à celle de la pile. Le courant ne passe pas, mais la tension existe.
- Aux bornes d'une lampe dans un circuit ouvert : 0 V, car aucun courant ne la traverse.
La tension et l'intensité sont donc deux grandeurs différentes : il peut y avoir une tension sans courant (pile seule, interrupteur ouvert).
5. Les lois des tensions
Circuit en série : loi d'additivité des tensions. Dans un circuit en série, la tension aux bornes du générateur est égale à la somme des tensions aux bornes des autres appareils :
Ugénérateur = U1 + U2 + …
Exemple
Fatoumata branche deux lampes en série sur sa pile. Le voltmètre indique 4,5 V aux bornes de la pile et 2,7 V aux bornes de la lampe L₁. Quelle tension y a-t-il aux bornes de L₂ ?
Additivité : U = U₁ + U₂, donc U₂ = U − U₁ = 4,5 − 2,7 = 1,8 V.
Chaque lampe ne reçoit donc pas 4,5 V : la tension de la pile se partage entre les deux lampes.
Circuit en dérivation : égalité des tensions. Les appareils branchés en dérivation ont la même tension à leurs bornes, égale à celle du générateur (si les fils ont une tension négligeable) :
U = U1 = U2
C'est pourquoi, dans une maison, toutes les lampes et tous les appareils sont branchés en dérivation : chacun reçoit 220 V.
Piles en série : les tensions s'ajoutent. Trois piles de 1,5 V en série (bien orientées, + contre −) donnent 3 × 1,5 = 4,5 V : c'est justement ce que contient une pile plate.
6. Les indications nominales
Sur une lampe, on lit par exemple « 6 V ; 0,3 A ». Ce sont ses valeurs nominales : la lampe brille normalement quand la tension à ses bornes vaut 6 V (elle est alors traversée par 0,3 A).
- tension plus faible : la lampe brille faiblement (elle est en sous-tension) ;
- tension nettement plus forte : elle brille trop, chauffe et grille (elle est en surtension).
On choisit donc une lampe dont la tension nominale correspond à la tension qu'elle recevra.
3Je retiens
Je retiens
La tension électrique U se mesure en volts (V) ; 1 kV = 1 000 V ; 1 V = 1 000 mV.
Elle se mesure avec un voltmètre, toujours branché en dérivation, aux bornes de l'appareil.
Borne V du côté du + du générateur, borne COM du côté du − ; commencer par le plus grand calibre.
Série : U(générateur) = U₁ + U₂ + … (loi d'additivité).
Dérivation : les appareils ont la même tension à leurs bornes (U = U₁ = U₂).
Il peut exister une tension sans courant (pile seule, interrupteur ouvert).
Valeurs nominales : la tension pour laquelle l'appareil fonctionne normalement ; la tension du secteur (220 V) est dangereuse.
4Erreurs fréquentes
- Brancher le voltmètre en série, dans la boucle : il doit être branché aux bornes de l'appareil, en dérivation.
- Confondre tension et intensité : une pile seule a une tension mais ne débite aucun courant.
- Croire que chaque lampe en série reçoit toute la tension de la pile : les tensions s'additionnent, elles se partagent.
- Penser qu'une tension de 220 V est sans danger parce qu'une pile de 4,5 V l'est : le secteur peut tuer.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Convertis : a) 3 500 mV en V ; b) 0,2 V en mV ; c) 20 kV en V.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) 3 500 mV = 3,5 V.
b) 0,2 V = 200 mV.
c) 20 kV = 20 000 V.
2Exercice 2
Un voltmètre à aiguille a une échelle de 100 graduations. Calcule la tension mesurée.
a) Calibre 30 V, aiguille sur 40.
b) Calibre 3 V, aiguille sur 50.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) U = 30 × 40100 = 12 V.
b) U = 3 × 50100 = 1,5 V.
3Exercice 3
Recopie et complète le tableau avec « série » ou « dérivation ».
| Appareil | Branchement |
|---|---|
| Ampèremètre | ……… |
| Voltmètre | ……… |
| Lampes d'une maison | ……… |
Voir le corrigéCacher le corrigé
| Appareil | Branchement |
|---|---|
| Ampèremètre | série |
| Voltmètre | dérivation |
| Lampes d'une maison | dérivation |
4Exercice 4
Un circuit en série contient une pile de 12 V, une lampe L₁ et un moteur M. La tension aux bornes du moteur vaut 7,5 V.
a) Énonce la loi qui permet de calculer la tension aux bornes de L₁.
b) Calcule cette tension.
c) On mesure la tension aux bornes d'un fil de connexion. Quelle valeur trouve-t-on ?
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) Loi d'additivité des tensions : dans un circuit en série, la tension aux bornes du générateur est égale à la somme des tensions aux bornes des autres appareils.
b) Upile = UL1 + UM, donc UL1 = 12 - 7,5 = 4,5 V.
c) La tension aux bornes d'un fil de connexion est pratiquement nulle : 0 V.
5Exercice 5
(Problème) Ibrahima dispose de deux lampes portant l'indication « 4,5 V » et d'une pile plate de 4,5 V.
a) Il les branche en série. Quelle tension reçoit chaque lampe si elles sont identiques ? Comment brillent-elles ?
b) Il les branche en dérivation. Quelle tension reçoit chaque lampe ? Comment brillent-elles ?
c) Quel montage choisir pour qu'elles brillent normalement ? Justifie.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) En série, la tension de la pile se partage : U1 + U2 = 4,5 V, et les lampes étant identiques, chacune reçoit 4,5 ÷ 2 = 2,25 V. C'est moins que leur tension nominale (4,5 V) : elles brillent faiblement.
b) En dérivation, chaque lampe reçoit la tension de la pile : 4,5 V. C'est leur tension nominale : elles brillent normalement.
c) Il faut choisir le montage en dérivation, car chaque lampe y reçoit 4,5 V, sa tension nominale. En plus, si une lampe grille, l'autre reste allumée.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
Choisis une réponse pour chaque question : la correction s’affiche aussitôt.
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