Imaginez que l'eau coule en descendant à travers un système de tuyaux. Votre intuition devrait vous dire quels facteurs feraient couler l'eau plus rapidement et ce qui la ralentirait. Plus la colline est haute, plus le courant sera rapide et plus il y aura d'obstructions dans le tuyau, plus il circulera lentement.
Tout cela est dû à undifférence d'énergie potentielle entre le haut de la colline et le bas, parce que l'eau a une énergie potentielle gravitationnelle au sommet de la colline et aucune au moment où elle atteint le bas.
C'est une excellente analogie pour l'électricitéTension. De la même manière, lorsqu'il existe une différence de potentiel électrique entre deux points d'un circuit électrique, le courant électrique circule d'une partie du circuit à l'autre.
Tout comme dans l'exemple de l'eau, la différence d'énergie potentielle entre les deux points (créée par la distribution de la charge électrique) est ce qui crée le flux de courant. Bien sûr, les physiciens ont des définitions plus précises que cela, et l'apprentissage d'équations telles que la loi d'Ohm vous permet de mieux comprendre la tension.
Définition de la tension
La tension est le nom donné à une différence d'énergie potentielle électrique entre deux points, et elle est définie comme l'énergie potentielle électrique par unité de charge. Même sipotentiel électriqueest un terme plus précis, le fait que l'unité SI du potentiel électrique soit le volt (V) signifie qu'il est communément appelé tension, en particulier lorsque les gens parlent de la différence de potentiel entre les bornes d'une batterie ou d'autres parties d'un circuit.
La définition peut s'écrire mathématiquement sous la forme :
V = \frac{E_{el}}{q}
OùVest la différence de potentiel,Eel est l'énergie potentielle électrique (en joules) etqest la charge (en coulombs). À partir de là, vous devriez pouvoir voir que 1 V = 1 J/C, ce qui signifie qu'un volt est défini comme un joule par coulomb (c'est-à-dire par unité de charge). Parfois, vous verrezEutilisé comme symbole de tension, car un autre terme pour la même quantité est "force électromotrice" (CEM), mais de nombreuses sources utilisentVpour correspondre à l'usage quotidien du terme.
Le volt tire son nom du physicien italien Alessandro Volta, qui est surtout connu pour avoir inventé la première pile électrique (appelée la « pile voltaïque »).
Équation pour la tension
Cependant, l'équation ci-dessus n'est pas l'équation la plus couramment utilisée pour la tension, car la plupart des fois que vous rencontrez le terme, il impliquera un circuit électrique, et l'équation la plus utile pour c'estLa loi d'Ohm. Cela relie la tension au flux de courant dans le circuit et la résistance au flux de courant des fils et des composants du circuit, et a la forme :
V = IR
OùVest la différence de potentiel en volts (V);jeest le flux de courant, avec une unité d'ampère ou d'ampère pour faire court (A); etRest la résistance en ohms (Ω). En un coup d'œil, cette équation vous indique que pour la même résistance, des tensions plus élevées produisent des courants plus élevés (analogue à l'augmentation de la hauteur du colline dans l'introduction) et pour la même tension, le flux de courant est réduit pour des résistances plus élevées (analogue aux obstructions des tuyaux dans le Exemple). S'il n'y a pas de différence de tension, aucun courant ne circulera.
Différents composants d'un circuit auront différentschutes de tensionà travers eux, et vous pouvez utiliser la loi d'Ohm pour déterminer ce qu'ils seront. Conformément à la loi de tension de Kirchhoff, cependant,la somme des chutes de tension autour de toute boucle complète dans un circuit doit être égale à zéro.
Comment mesurer la tension dans un circuit
La tension aux bornes d'un élément d'un circuit électrique peut être mesurée avec un voltmètre ou un multimètre, ce dernier contenant un voltmètre mais aussi d'autres outils comme un ampèremètre (pour mesurer le courant). Vous connectez le voltmètre en parallèle sur l'élément à mesurer pour déterminer la chute de tension entre les deux points - ne le connectez jamais en série !
Les voltmètres analogiques fonctionnent à l'aide d'un galvanomètre (un appareil pour mesurer de petits courants électriques) en série avec une résistance de haute résistance, le galvanomètre contenant une bobine de fil dans un champ magnétique. Lorsqu'un courant traverse le fil, il crée un champ magnétique, qui interagit avec l'existant champ magnétique pour faire tourner la bobine, qui déplace ensuite le pointeur sur l'appareil pour indiquer le Tension.
Parce que la rotation de la bobine est proportionnelle au courant, et le courant est à son tour proportionnelle à la tension (par la loi d'Ohm), plus la bobine tourne, plus la tension entre les deux pointes. C'est plus compliqué si vous mesurez le courant alternatif plutôt que le courant continu, mais différentes conceptions le rendent également possible.
Vous devez connecter un voltmètre en parallèle car deux éléments de circuit en parallèle ont la même tension entre eux. Un voltmètre doit avoir une résistance élevée car cela l'empêche de tirer un courant trop important du circuit principal et ainsi d'interférer avec le résultat. De plus, les voltmètres ne sont pas conçus pour tirer des courants importants, donc si vous en connectez un en série, il pourrait facilement casser ou faire sauter un fusible.
Exemples de tension
Apprendre à travailler avec le potentiel électrique implique d'apprendre à utiliser la loi d'Ohm et d'apprendre à appliquer la loi de tension de Kirchhoff pour déterminer les chutes de tension à travers différents éléments d'un circuit. La chose la plus simple à faire est d'appliquer la loi d'Ohm à tout un circuit.
Si un circuit est alimenté par une batterie de 12 V et a une résistance totale de 70 ohms, quel est le courant circulant dans le circuit ?
Ici, il vous suffit de réarranger la loi d'Ohm pour créer une expression pour le courant électrique. La loi stipule :
V = IR
Tout ce que vous avez à faire est de diviser les deux côtés parRet inverser pour obtenir :
I=\frac{V}{R}
L'insertion de valeurs donne :
\begin{aligned} I&=\frac{1 \text{ V}}{70 \text{ Ω}} \\ &= 0.1714 \text{ A} \end{aligned}
Le courant est donc de 0,1714 A, ou 171,4 milliampères (mA).
Mais imaginez maintenant que ces 70 de résistance sont répartis sur trois résistances différentes en série, avec des valeurs de 20, 10 et 40. Quelle est la chute de tension aux bornes de chaque composant ?
Encore une fois, vous pouvez utiliser la loi d'Ohm pour examiner chaque composant à tour de rôle, en notant le courant électrique global autour du circuit de 0,1714 A. En utilisant V = IR pour chacune des trois résistances à tour de rôle :
Pour le premier :
\begin{aligned} V_1 &= 0,1714 \text{ A} × 20 \text{ Ω} \\ &= 3,428 \text{ V} \end{aligned}
La deuxième:
\begin{aligned} V_2 &= 0,1714 \text{ A} × 10 \text{ Ω} \\ &= 1,714 \text{ V} \end{aligned}
Et le troisième :
\begin{aligned} V_3 &= 0,1714 \text{ A} × 40 \text{ Ω} \\ &= 6,856\text{ V} \end{aligned}
Selon la loi de tension de Kirchhoff, ces trois chutes de tension devraient totaliser 12 V :
\begin{aligned} V_1 + V_2 + V_3 &= 3,428 \text{ V} + 1,714 \text{ V} + 6,856 \text{ V} \\ &= 11,998 \text{ V} \end{aligned}
Cela équivaut à 12 V à deux décimales près, le léger écart étant dû à des erreurs d'arrondi.
Chutes de tension sur les composants parallèles
Dans la discussion sur la façon de mesurer la tension ci-dessus, il a été noté que les chutes de tension sur les composants parallèles d'un circuit sont les mêmes. Ceci s'explique parLa loi de tension de Kirchhoff, qui stipule que la somme de toutes les tensions (la tension positive de la source d'alimentation et les chutes de tension des composants) dans une boucle fermée doit être égale à zéro.
Pour un circuit parallèle, avec plusieurs branches, vous pouvez créer une telle boucle comprenant l'une des branches parallèles et la batterie. Quel que soit le composant sur chaque branche, la chute de tension sur n'importe quelle branchedoitdonc être égale à la tension fournie par la batterie (en ignorant la possibilité d'autres composants en série, pour simplifier). Cela est vrai pour toutes les branches, et donc les composants parallèles auront toujours des chutes de tension égales à travers eux.
Tension et puissance dans les ampoules
La loi d'Ohm peut également être étendue pour se rapporter à la puissance (P), qui est le taux de fourniture d'énergie en joules par seconde (watts,W), et il s'avère que P = IV.
Pour un composant de circuit tel qu'une ampoule, cela montre que la puissance qu'il dissipe (c'est-à-dire qu'il se transforme en lumière) dépend de la tension qui le traverse, des tensions plus élevées entraînant une puissance de sortie plus élevée. Conformément à la discussion sur les composants parallèles dans la section précédente, plusieurs ampoules disposées en parallèle brillent plus que les mêmes ampoules disposées en série, car la pleine tension de la batterie chute sur chaque ampoule lorsqu'elle est connectée en parallèle, alors que seulement un tiers le fait lorsqu'elles sont connectées en séries.