La tension électrique

Un premier cours nous a montré qu'elle est la nature du courant électrique, un déplacement d'électrons libres au sein de matériaux conducteurs. Pour se déplacer, les électrons doivent être soumis à des forces d'attraction ou de répulsion formant un champ électrique, telles de multiples et minuscules billes métalliques entrainées par le champ magnétique d'un aimant.


Les atomes auxquels nous aurons extrait des électrons vont générer un champ d'attraction qui happera les électrons libres voisins s'il en est, jusqu'à retrouver leur niveau d'équilibre, autant d'électrons (charges négatives) que de protons (charges positives contenues dans le noyau). En injectant des électrons à de la matière qui en est déjà saturée, celle-ci devient chargée négativement et tendra à les rejeter.

La tension électrique est la résultante de cette différence de concentration d'électrons entre deux points, par exemple les polarités d'une pile électrique. La tension aux bornes d'une pile est nulle (pile usagée) lorsque le nombre d'électrons y est équilibré.

Unité de mesure de la tension : le volt (V)

Il ne nous est pas possible de mesurer directement les forces engendrées par un champ électrique. On se contente alors de mesurer les effets du passage du courant, et d'en déduire une nouvelle unité physique, le volt. Ainsi il eu été décidé en 1880 qu'un volt serait la tension nécessaire à la dissipation d'un watt de puissance pour une intensité du courant de un ampère, autres unités connues mais qui ne seront pas développées dans le présent cours.

Cette unité symbolisée par la lettre V doit son nom à Alessandro Volta, inventeur de la pile électrique 80 ans plus tôt. La tension est quant à elle symbolisée par la lettre U.

L'appareil servant à mesurer la tension est le voltmètre (mesure des volts), et le multimètre (appareil de mesure multifonction) intégrant la fonction voltmètre: mesure de la tension

La différence de potentiel

La « différence de potentiel » est simplement, à notre niveau, une autre manière d'exprimer la tension entre deux points. Cette notion de "potentiel" va nous aider à mieux en comprendre les mécanismes.

Nous-mêmes en tant qu'individus avons nos propres potentiels physiques, intellectuels, humoristiques, etc. Ces potentiels réunis forment nos atouts, notre capacité à nous sortir de certaines situations par exemple.
Une pile électrique à deux potentiels électriques, l'un attractif (+) et l'autre répulsif (-). En soustrayant les deux nous obtenons la différence de potentiel, la tension globale excercée.
Un potentiel positif de 0,75 V moins un potentiel négatif équivalent (- 0,75 V) nous donne un résultat positif de 1,5 volts.

Analogie de la tension entre les bornes d'une pile et la pression de l'eau répartie dans deux réservoirs

Deux réservoirs sont reliés par un conduit en partie basse (conducteur), lui-même équipé d'une vanne (interrupteur).
Le premier réservoir contient 100 litres d'eau et le second 40 litres. La contenance de chacun, compte tenu de la masse volumique de l'eau et de la gravité, détermine son potentiel à repousser l'eau qu'il contient vers sa seule échappatoire possible, le réservoir voisin.

La pression sur la vanne est plus forte côté gauche que côté droit.

Dès l'ouverture de la vanne l'eau circule naturellement de la gauche vers la droite (formation d'un courant dans le conduit), bien que le réservoir de droite ne soit pas vide.

Le niveau d'eau équivaut au niveau de charge électrique de chacune des bornes de notre pile.
L'eau ne circule plus une fois les niveaux stabilisés. Il n'y a plus de courant donc plus d'effets dans le conduit bien qu'il en contienne toujours.

Nos fils électriques, même lorsqu'ils ne sont traversés par aucun courant, comportent des électrons libres en quantités démesurées.

Nous-mêmes en sommes remplis, mais tant qu'ils ne sont soumis à aucun autre potentiel que le nôtre (attractif ou repulsif) nous ne risquons rien. Nous y reviendrons.


Pourquoi ne pas avoir débuté notre illustration avec l'un des réservoirs vides ?
Simplement pour démontrer qu'il n'est pas nécessaire d'avoir deux potentiels opposés pour qu'il y ait formation d'un courant. Une différence aussi infime soit-elle suffit, mais à mesure que les niveaux vont s'équilibrer le débit va diminuer.

Un oiseau perché sur une ligne à haute tension ne court aucun risque, car il se met au potentiel de son perchoir, comme s'il se posait sur un objet flottant sur une eau calme (lac).
Le même objet placé cette fois sur le cours d'un fleuve serait emporté par le courant, allant des hauteurs vers le niveau de la mer. Notre oiseau serait donc lui aussi emporté par le courant et en ressentirait les effets.

Courant continu et alternatif

Le courant continu

Une pile électrique ou un accumulateur (batterie) délivre une tension relativement stable dans la durée. Elle ne baisse qu'à mesure que les potentiels des bornes + et - s'équilibrent, tout comme la différence de pression de l'eau répartie dans nos deux réservoirs. Le flux d'électrons entre les deux polarités est donc continu et le sens du courant toujours le même, donnant lieu à ce que l'on appelle un courant continu, un flux continu d'électrons.

Représentation graphique d'une tension continue aux bornes d'une batterie de voiture

 

Le courant continu est symbolisé par les lettres CC ou DC (de l'anglais Direct Courant), ou encore par deux barres parallèles (=). Ainsi, pour distinguer une tension continue on l'exprimera de ces différentes manières : 12 VCC, 12 VDC ou 12V=

Le courant alternatif

La tension délivrée sur notre réseau national est toute autre (230V, 400V, 20 000V, etc.).
Cela s'explique par la manière dont est générée cette tension, différente de celle d'une pile. Outre les effets calorifiques énoncés précédemment, le passage du courant électrique à des effets magnétiques et inversement. Cette interaction entre magnétisme et électricité porte un nom, l'électromagnétisme.

Ces phénomènes sont exploités par ce l'on appelle des génératrices. Retenons simplement qu'une génératrice est entrainée en rotation mécaniquement (eau d'un barrage, vapeur d'une centrale nucléaire, vent d'une éolienne ou encore moteur à explosion d'un groupe électrogène), que cette rotation va générer des champs électromagnétiques en son sein, transformés à leur tour en énergie électrique.

Voici ce à quoi ressemble la tension présente aux bornes des prises de courant de nos habitations

 

 

Comme nous pouvons le voir la tension varie dans le temps, passant d'une valeur positive à une valeur négative à une fréquence de 50 fois par seconde (50Hz), représentant sur la durée la forme d'une sinusoïde (~). La tension atteint en instantané (à un temps T) la valeur maximale de 325 volts, et -325 volts en valeur minimale.

Pourquoi dit-on que la tension est de 230 volts ?

230V est la valeur dite « efficace » de la tension, car elle n'est ni constamment à son paroxysme ni à 0. Du courant circule entre chaque passage à zéro et génère donc des effets, qu'il aille dans un sens ou dans l'autre.
La tension efficace en alternatif est l'équivalent de ce qu'elle serait en courant continu pour obtenir les mêmes effets (puissance dissipée).

Mais au fait, la tension entre quoi et quoi ?

Nous avons vu que la tension est une différence de potentiel, et la "différence" fait appel à deux points de référence, deux "potentiels".
La sinusoïde ici représentée en rouge est le potentiel délivré sur la phase de nos habitations par nos centrales de production d'électricité.
Le fil de neutre de nos installations est à un potentiel nul (0V), ici représenté par un trait bleu, car relié à la terre en amont de notre installation. C'est d'ailleurs pour cela qu'il est appelé « neutre».

La terre (notre planète) nous sert en effet de potentiel de référence, tout comme le niveau de la mer nous sert de référence pour mesurer l'altitude.
Tout ce qui se situe sous le niveau de la mer à une altitude négative, et au dessus une altitude positive.

Phases et neutres (bleu) sont des conducteurs dits « actifs », car nécessaires au fonctionnement de nos appareils électriques.
Les fils de terre (vert et jaune) sont des conducteurs dits « de protection », notamment contre les défauts d'isolement.

Le courant alternatif est symbolisé par les lettres AC (Alternative Courant) ou une sinusoïde (~).
Une tension alternative s'exprime donc ainsi : 230 VAC ou 230V~

Les tensions alternatives et continues ne se mesurent pas de la même manière. Les multimètres disposent de deux types de réglages pour la mesure d'une tension, selon que nous soyons confrontés à de l'alternatif (V~) ou du continu (V=).