Tension électrique

As-tu déjà observé des oiseaux joyeusement perchés sur une ligne électrique ? Comment se fait-il que les quelque 500 000 volts d'électricité ne les touchent pas ? Nous savons que les 120 volts de nos prises de courant à la maison sont mortels pour nous, alors se peut-il que les oiseaux soient très bien isolés ? La réponse à cette énigme est qu'il n'y a pas de différence de tension entre les pattes des oiseaux sur le câble. Le courant passera par le câble et non par les oiseaux (ce qui nécessiterait une énergie supplémentaire). La compréhension de la tension est fondamentale pour une compréhension complète de l'électricité.

Tension électrique : définition

La tension est une grandeur qui est toujours mesurée entre deux points d'un circuit et aucun courant ne peut circuler en l'absence de tension.

Unité de tension électrique

D'après la définition, l'unité de tension est le joule par coulomb (\(J.C^{-1}\)). L'unité dérivée de la tension est le volt, noté V, qui est identique au joule par coulomb. C'est-à-dire \[1\;V = 1 \;J.C^{-1}\]

Mesure tension électrique

La tension est mesurée par un voltmètre, mais une alternative moderne est un multimètre numérique qui peut être utilisé pour mesurer la tension, le courant et d'autres grandeurs électriques. La figure ci-dessous représente un voltmètre analogique typique.

Figure 1 - Un voltmètre analogique typique est utilisé pour mesurer la tension entre deux points d'un circuit électrique.

Tension électrique formule

La définition de la tension est le travail effectué par unité de charge et nous pouvons donc l'utiliser pour écrire une formule de base pour une tension comme ci-dessous : \[U= \frac{Travail \hspace{5px} (énergie \hspace{5px} transférée)}{Charge}\] ou \[U=\frac{W}{Q}\]

où la tension \(U\) est mesurée en volts (V), le travail effectué \(W\) est mesuré en joules (J) et la charge \(Q\) est mesurée en coulombs (C). La formule ci-dessus nous rappelle que le travail effectué et l'énergie transférée sont identiques. La quantité d'énergie transférée à un composant du circuit par unité de charge qui le traverse nous donne la tension mesurée à travers ce composant du circuit. Prenons l'exemple suivant.

Nous avons indiqué que la tension est mesurée en deux points différents d'un circuit électrique. En effet, de l'énergie est transférée à des appareils dans ce circuit, de sorte que le travail effectué doit être mesuré par une différence d'énergie entre deux points situés de part et d'autre de ces appareils. Cela signifie qu'un voltmètre doit être connecté en parallèle dans un circuit. La figure ci-dessous montre un circuit simple avec un voltmètre (marqué d'un V) connecté en parallèle à une lampe pour mesurer la tension aux bornes de la lampe. Cette tension est simplement l'énergie transférée à la lampe par unité de charge qui la traverse.

Figure 2 - Un voltmètre qui mesure la tension se met toujours en parallèle. Ici c'est la tension aux bornes d'une lampe qui est mesurée.

Force électromotrice (FEM)

La loi de conservation de l'énergie stipule que l'énergie ne peut être ni créée ni détruite, mais simplement convertie d'une forme à une autre. Si la tension fournie dans un circuit est l'énergie disponible à transférer par unité de charge, d'où vient cette énergie ? Dans le cas de nombreux circuits électriques, la réponse à cette question est une batterie. Une batterie convertit l'énergie potentielle chimique en énergie électrique, ce qui permet à la charge de circuler dans le circuit. Cette énergie par unité de charge est appelée force électromotrice (FEM) d'un circuit. Rappelez-vous que l'énergie par unité de charge est simplement une tension, de sorte que la force électromotrice d'un circuit est la tension aux bornes de la pile lorsqu'il n'y a pas de courant qui circule.

C'est pourquoi nous pensons généralement que la tension des appareils de tous les jours est liée à la consommation d'énergie de ces appareils. Dans le contexte de l'électricité, il est plus correct de considérer la tension comme l'énergie par unité de charge traversant l'appareil.

Type et symbole de tension électrique

Nous avons jusqu'à présent considéré des circuits simples dans lesquels le courant circule toujours dans une seule direction. C'est ce qu'on appelle le courant continu (DC). Il existe un autre type de courant plus courant : le courant alternatif (AC).

Tension DC

Un circuit dans lequel le courant circule dans une seule direction est un circuit à courant continu. Une batterie typique possède une borne positive et une borne négative et ne peut pousser la charge que dans une seule direction dans un circuit. Les piles peuvent donc fournir la force électromotrice (fem) pour les circuits à courant continu. Si un circuit à courant continu a une résistance fixe, le courant restera constant. L'énergie transférée à la résistance restera donc constante, de même que le travail effectué par unité de charge. Pour un circuit à résistance fixe, la tension continue est toujours constante : elle ne change pas avec le temps.

Tension AC

Le type d'électricité qui alimente les foyers du monde entier se présente sous la forme de courant alternatif (CA). Le courant alternatif peut être transporté sur de longues distances, ce qui le rend idéal pour cet usage. Dans un circuit à courant alternatif, le courant circule dans deux directions le long des fils ; ceux-ci oscillent d'avant en arrière. L'énergie électrique ne circule toujours que dans un sens, ce qui permet d'alimenter les appareils. Comme le sens du courant change constamment, la quantité d'énergie transférée à chaque composant du circuit doit également changer constamment, ce qui signifie que la tension entre deux points quelconques du circuit change constamment. La tension alternative varie de manière sinusoïdale en fonction du temps. La figure ci-dessous montre une esquisse de la tension alternative et de la tension continue en fonction du temps.

Un croquis qui montre la forme d'un graphique de tension continue en fonction du temps ainsi qu'un graphique de tension alternative en fonction du temps,

Autres équations de tension en physique

Nous avons étudié la définition de la tension et vu sa relation avec le transfert d'énergie dans un circuit électrique. Nous pouvons également relier la tension à d'autres grandeurs électriques, dans notre cas la résistance et le courant. La loi d'Ohm décrit cette relation comme suit : la tension aux bornes d'un conducteur U à une température constante est directement proportionnelle au courant I dans le conducteur. C'est-à-dire : \[U=R.I\]

où la constante de proportionnalité, dans ce cas, est la résistance du conducteur. Il existe de nombreuses autres expressions pour la tension dans les circuits électriques, qui dépendent du circuit en question. La compréhension de base de la tension et du volt ne change cependant pas d'un scénario à l'autre.