Physique du primaire et du collège · Grades 1–9
56La tension et le voltmètre
Depuis que la première pile a allumé la première lampe, un mot fait dans ce livre un service lourd et vague : la « poussée ». Les piles poussent faiblement, le secteur pousse mortellement, deux piles bout à bout poussent ensemble. La poussée devient aujourd’hui une grandeur mesurée, munie d’une unité célèbre — et son instrument, contrairement à celui du chapitre précédent, refuse de se tenir sur la route.
56.1 La tension
Définition 56.1 (Tension)
La tension entre deux points d’un circuit mesure la poussée électrique disponible entre eux — avec quelle force le courant est chassé d’un point vers l’autre, comme la hauteur d’une chute d’eau mesure avec quelle force elle entraîne la roue du moulin. Une tension est toujours un entre : entre les deux bornes d’une pile, entre les deux côtés d’une lampe — jamais en un seul point. Son unité est le volt (), en l’honneur de l’inventeur de la première pile.
Exemple 56.2 (L’album de famille des volts)
Une pile ronde : . La pile plate : — trois éléments bout à bout sous un même emballage. La pile rectangulaire de neuf volts, ses deux bornes sur le dessus : , six éléments cachés. Une batterie de voiture : . La prise murale : — plus de cent cinquante petits éléments de poussée, ce qui est tout le contenu chiffré du « la prise, jamais ». Un éclair entre le nuage et le sol : des centaines de millions de volts, un bref instant.
Proposition 56.3 (Une tension sans courant)
La tension et le courant sont deux grandeurs différentes, et la tension vient la première. Une pile seule dans un tiroir, reliée à rien, ne fait circuler aucun courant — et pourtant, entre ses bornes, les au complet se tiennent prêts, mesurables, comme la hauteur d’une chute d’eau un jour où le moulin est fermé. La poussée peut exister sans marche ; la marche n’existe jamais sans poussée.
Définition 56.4 (Voltmètre)
Un voltmètre mesure la tension entre deux points — il se branche donc à leurs bornes : en dérivation avec le composant étudié, un fil de chaque côté, comme un géomètre tendant son niveau entre deux hauteurs. Construit à l’opposé de l’ampèremètre en tout point, il s’oppose au courant presque complètement : branché aux bornes de n’importe quoi, il n’en prélève quasiment rien — si bien que le poser ne dérange rien, et qu’aucune boucle n’a jamais besoin d’être ouverte.
Méthode 56.5 (Mesurer une tension)
- laisser le circuit intact — on n’ouvre rien pour un voltmètre ;
- poser un fil de chaque côté du composant : le fil là où le courant conventionnel entre, le fil commun là où il sort ;
- plus grand calibre d’abord, puis descendre jusqu’à la lecture confortable ;
- lire, et écrire l’unité.
Les manières des deux appareils, côte à côte : l’ampèremètre — ouvrir la route, s’y tenir, ne s’opposer à rien ; le voltmètre — n’ouvrir rien, se tenir à côté, s’opposer à tout. Confondre les deux manières est l’habitude la plus coûteuse de l’atelier.
56.2 Les tensions nominales
Définition 56.6 (Tension nominale)
Toute lampe, tout moteur, tout appareil porte une tension nominale — la poussée pour laquelle il est construit, gravée sur son culot ou sa plaque : une ampoule de lampe de poche « 3,5 V », un phare de voiture « 12 V », une bouilloire « 230 V ». Alimenté à sa tension nominale, l’appareil se comporte comme prévu ; alimenté à bien moins, il boude — lampe terne, moteur paresseux ; alimenté à bien plus, il grille — brillamment, une fois.
Exemple 56.7 (Accorder la lampe et la pile)
Une ampoule « 3,5 V » sur la pile plate de : un peu surmenée — brillante, et de courte vie. Sur un seul élément de : une lueur orange endormie. Sur la pile de : un instant éblouissant, puis le fil ténu se rompt — la nécrologie du filament. L’étiquette est un contrat : honore-le, et la lampe vivra la vie qu’elle annonce.
Remarque 56.8 (Pourquoi 230 V tue)
La vieille règle absolue reçoit enfin son nombre. La route conductrice humide du corps, offerte à , laisse passer un courant trop faible pour être senti. La même route sous — cinquante fois la poussée — laisse passer cinquante fois le courant, bien au-delà des quelques centièmes d’ampère qui arrêtent un cœur. La prise n’est pas « un peu » plus forte que ton établi à piles : elle est deux ordres de grandeur au-dessus, et la sévérité du règlement n’est que de l’arithmétique.
56.3 Les premières lectures de tension
Exemple 56.9 (Le tour d’une boucle simple)
Une pile, une lampe, les appareils en main. Aux bornes de la pile : . Aux bornes de la lampe : — la lampe reçoit ce que la pile offre. Aux bornes d’un tronçon de fil de liaison : , ou aussi près que l’appareil sache le dire — un bon fil est une route plate, qui ne dépense rien de la poussée. La poussée vit aux bornes des travailleurs, non le long des routes : une lecture à retenir pour le moment où les lois du chapitre suivant la rendront officielle.
Exemple 56.10 (L’aveu de l’interrupteur ouvert)
Lampe éteinte, interrupteur ouvert — où est passée la poussée ? Mesurons : aux bornes de la lampe éteinte, ; aux bornes de l’interrupteur ouvert, les au complet. La poussée de la pile se tient tout entière en travers de la coupure, à attendre — le seul endroit de la boucle où deux points soient vraiment « éloignés » électriquement. Ferme l’interrupteur, et les deux lectures échangent leurs places. Un interrupteur ouvert est l’endroit où la tension attend.
56.4 Exercices
Exercice 56.1 ★
Que mesure une tension, et pourquoi est-elle toujours « entre » ? Donne son unité et l’image de la chute d’eau.
Exercice 56.2 ★
De mémoire : les tensions d’une pile ronde, de la pile plate, de la pile rectangulaire, d’une batterie de voiture, du secteur.
Solution
Solution de Exercice 56.2.
; ; ; ; .
Exercice 56.3 ★
Une pile est posée là, reliée à rien. Quel courant circule ? Que lit un voltmètre à ses bornes ? Quelle proposition prend la parole ?
Exercice 56.4 ★
Oppose les manières des deux appareils : branchement, ouverture de la route, opposition au courant. Quelle erreur fabrique un court-circuit muni d’un cadran ?
Solution
Solution de Exercice 56.4.
Ampèremètre : en série, la route ouverte pour lui, ne s’opposant presque à rien. Voltmètre : en dérivation, rien d’ouvert, s’opposant presque à tout. L’erreur coûteuse : un ampèremètre branché aux bornes — en dérivation — devient un court-circuit muni d’un cadran.
Exercice 56.5 ★
Qu’est-ce qu’une tension nominale ? Prédis le comportement d’une lampe « 6 V » sous ; sous ; sous .
Solution
Solution de Exercice 56.5.
La poussée pour laquelle un appareil est construit. Sous : une lueur endormie. Sous : l’éclat et la durée de vie prévus. Sous : un instant brillant, puis le filament se rompt.
Exercice 56.6 ★
Dans la boucle simple, que lit le voltmètre aux bornes de la pile, de la lampe, et d’un tronçon de fil ? Où vit la poussée ?
Exercice 56.7 ★
Interrupteur ouvert : que trouve-t-on aux bornes de la lampe éteinte, et aux bornes de l’interrupteur ouvert ? Qu’arrive-t-il aux deux lectures au moment du déclic ?
Solution
Solution de Exercice 56.7.
Lampe éteinte : ; interrupteur ouvert : les au complet, en attente en travers de la coupure. Au déclic, elles échangent leurs places : l’interrupteur fermé retombe à peu près à zéro, la lampe allumée prend les .
Exercice 56.8 ★
Pourquoi poser un voltmètre aux bornes d’une lampe allumée ne dérange-t-il presque pas le circuit ? Que refuse de faire cet appareil ?
Solution
Solution de Exercice 56.8.
Il refuse de porter du courant : s’opposant presque complètement, il n’en sirote quasiment aucun à travers lui, si bien que la marche de la lampe et son éclat continuent comme si personne ne regardait.
Exercice 56.9 ★★
La pile plate de cache trois éléments. Dessine (ou décris) leur disposition, et calcule la tension si l’un des éléments était retourné par accident — le chapitre de la lampe de poche, il y a des années, maintenant chiffré. (Des poussées opposées se retranchent.)
Solution
Solution de Exercice 56.9.
Trois éléments bout à bout : . Un élément retourné s’oppose aux deux autres : — le mystère de la lampe de poche d’il y a des années, désormais en volts.
Exercice 56.10 ★★
La lampe d’un campeur porte la mention ; la batterie du fourgon indique au départ et après une longue soirée. Décris la soirée de la lampe, et pourquoi rien n’a grillé.
Solution
Solution de Exercice 56.10.
Batterie fraîche : un cheveu au-dessus du nominal — tout l’éclat prévu, joyeusement. À mesure que la soirée vide la batterie vers , la lampe baisse doucement sous sa lueur prévue. Rien n’a grillé : la tension n’a jamais fléchi que sous le nominal ; le contrat punit l’excès, non le manque.
Exercice 56.11 ★★
Un voltmètre branché par erreur en série avec la lampe (boucle ouverte, appareil dans la coupure) : prédis le comportement de la lampe et la lecture de l’appareil — souviens-toi de ce à quoi s’oppose un voltmètre. (Le silence de la lampe et le nombre de l’appareil sont l’un et l’autre instructifs.)
Solution
Solution de Exercice 56.11.
Le voltmètre sur la route s’oppose presque à tout : la marche s’arrête ou presque, et la lampe reste éteinte. L’appareil, portant à ses bornes l’unique poussée de la boucle, lit à peu près toute la tension de la pile — un nombre correct pour un circuit mal monté : instructif, et sans incendie.
Exercice 56.12 ★★★
Deux lampes identiques en série sous : un voltmètre trouve environ aux bornes de chacune. Les mêmes lampes en dérivation sur la même pile : prédis la tension de chaque lampe, et concilie les deux constats avec les règles d’éclat que tu connais depuis des années (une paire en série s’assombrit, une paire en dérivation brille à plein). Quel chapitre à venir fera de tes prédictions une loi ?
Solution
Solution de Exercice 56.12.
En dérivation, chaque lampe est directement aux bornes de la pile : chacune — toute la poussée nominale, tout l’éclat, comme le promettait la vieille règle de la dérivation. En série, les deux lampes se partagent les — environ chacune, une paire sous-alimentée qui luit faiblement, comme le constatait la vieille règle de la série. Le chapitre d’après-demain fera de ce partage une loi des tensions.
56.5 Problème : l’audit du tiroir à piles
Problème 56.1
Problème du week-end — le grand audit du tiroir à piles ; un voltmètre, une boîte à chaussures pleine d’éléments et l’étagère à gadgets de la famille
Toute maison a ce tiroir : des éléments en vrac, des piles mystérieuses, des gadgets qui « ont besoin de neuves ». Jour d’audit — voltmètre en main.
Partie I — trier les éléments.
- Décris le branchement correct du voltmètre pour contrôler un élément de en vrac — et pourquoi il n’y a aucun circuit à monter d’abord.
- Les lectures de l’audit, sorties du tiroir : , , , . Classe-les : neuve, utilisable, fatiguée, morte.
- Une pile de neuf volts indique . Que fournit à peu près chacun de ses six éléments intérieurs ?
- Pourquoi un élément presque mort montre-t-il encore une tension alors qu’il ne peut plus rien allumer ? (Sa poussée survit faiblement ; qu’a-t-il perdu la force d’entraîner ?)
Partie II — l’étagère à gadgets.
- L’appareil photo veut deux éléments bout à bout. Quelle tension attend-il, et que délivrera la paire de rescapés à de la question 2 ?
- Le vieux poste de radio prend quatre éléments bout à bout et boude en dessous de . Quels éléments du tiroir peuvent, s’il y en a, former son équipage ?
- Le petit frère tasse trois éléments dans la lampe de poche qui en prévoit deux, « pour plus de lumière », en coinçant le troisième contre le ressort. L’ampoule est donnée pour . Prédis le spectacle, en langage de tension nominale.
- La plaque du transformateur de sonnette indique « ». Quelqu’un propose de brancher la sonnette directement sur une pile de neuf volts, « puisque huit, c’est presque neuf ». Juge : accord honnête ou meurtre lent ?
Partie III — les lois de l’audit.
- Dans la lampe de poche (ampoule et éléments en série, interrupteur ouvert), l’auditeur mesure : aux bornes de l’interrupteur ouvert, ; aux bornes de l’ampoule, . Explique les deux, et prédis les deux après le déclic.
- Aux bornes de chaque tronçon du câblage de la lampe de poche, l’appareil dit , allumée comme éteinte. Que déclare cela sur un bon fil, en langage de poussée ?
- La prise du secteur n’est pas auditée, par loi familiale permanente. Redis cette loi avec le nombre de ce chapitre, et la phrase arithmétique qui la fonde.
- Dépose le rapport d’audit : trois phrases — ce qu’un voltmètre est et n’est jamais ; ce qu’une tension nominale d’étiquette promet et menace ; et où, dans tout circuit au repos, la tension attend.
Solution
Solution de Problème 56.1.
1. Poser les deux fils du voltmètre sur les deux bornes de l’élément — à ses bornes, en dérivation ; un voltmètre n’ouvre rien et n’exige aucun circuit : il mesure la poussée qui attend. 2. : neuve. : utilisable. : fatiguée. : morte — du tiroir au bac de recyclage. 3. Environ chacun — six éléments en bonne santé. 4. Sa chimie soulève encore une faible poussée, mais ne peut plus entraîner de marche utile : la tension survit comme une promesse que l’élément n’a plus la force de tenir en charge. 5. Deux bout à bout : il attend ; les rescapés délivrent — l’appareil photo marchera peut-être, en grognant. 6. Quatre éléments doivent totaliser ou mieux : quatre neuves à donnent — parfait ; en mélangeant les , tout équipage totalisant au moins convient (par exemple deux neuves et deux utilisables : ). Les fatiguées et les mortes s’abstiendront. 7. Trois éléments : sur une ampoule de — la moitié en trop : au mieux une soirée glorieusement surexposée, au plus probable un grillage immédiat. Le contrat punit l’excès. 8. Meurtre lent, doux mais réel : sur un appareil de , c’est une surpoussée permanente — il fonctionnera, chauffera et vieillira vite. Nominal veut dire nominal ; « presque » est la façon dont les filaments meurent jeunes. 9. La poussée de la pile attend, tout entière, en travers de la seule vraie coupure — l’interrupteur ouvert ; l’ampoule au repos, ne portant aucun courant, n’en montre aucune. Après le déclic : interrupteur près de , ampoule près de — la poussée passe de la coupure au travailleur. 10. Qu’un bon fil est une route plate : il livre la marche sans dépenser de poussée — toute la tension est réservée aux travailleurs. 11. « La prise, c’est — cinquante fois la plus forte pile de ce tiroir ; cinquante fois la poussée entraîne cinquante fois le courant à travers les mêmes mains humides, et le cœur s’arrête à des centièmes d’ampère. Les audits s’arrêtent au tiroir. » 12. Par exemple : « Un voltmètre se tient aux bornes, jamais sur la route. La tension nominale d’une étiquette promet les performances prévues et menace de grillage au-delà. Et dans tout circuit au repos, la tension attend à la coupure — aux bornes de l’interrupteur ouvert, prête. »