Une grandeur électrique : la tension

Chapitre 7 Une grandeur électrique : la tension Programme officiel Connaissances La tension électrique aux bornes d un dipôle se mesure avec un voltmètre branché en dérivation à ses bornes. Unité de tension : le volt. Symbole normalisé du voltmètre. Il peut y avoir une tension entre deux points entre lesquels ne passe aucun courant ; un dipôle peut être parcouru par un courant sans tension notable entre ses bornes. Pour fonctionner normalement, un dipôle doit être adapté au générateur utilisé. Tension nominale. Surtension et sous-tension. Capacités Brancher un multimètre utilisé en voltmètre et mesurer une tension. Schématiser le circuit et le mode de branchement du multimètre pour mesurer une tension positive. Identifier les bornes d une pile, mettre en évidence la tension entre ses bornes en circuit ouvert. Prévoir le fonctionnement d une lampe connaissant sa tension nominale et la tension du générateur branché à ses bornes. Interpréter en termes de tension l éclat d une lampe dont on connaît les valeurs nominales. Commentaires La partie «Électricité» a pour objet d introduire les lois du courant continu à partir de mesures de courants électriques réalisées par les élèves eux-mêmes dans le cadre d une démarche d investigation. Elle prolonge l approche qualitative des circuits vue à l école primaire et en classe de cinquième. L approche de la grandeur «tension électrique» est opératoire. De façon qualitative, puis quantitative, sans que cette étude conduise à des exercices calcu- latoires, l enseignant amène l élève à identifier la grandeur «tension» et à s apercevoir qu elle peut être nulle si un courant circule (fil de connexion branché dans un circuit et traité comme un dipôle), et différente de zéro même si aucun courant ne circule (bornes d un interrupteur ouvert dans un circuit, diode en inverse). Un circuit électrique est un ensemble d éléments reliés entre eux dont chacun contribue au fonctionnement global du circuit. Dans une branche, l ordre des éléments n a pas d importance sur les valeurs des tensions aux bornes de chacun d eux. Sur les schémas électriques, les multimètres sont représentés de façon à ce que les résultats qu ils affichent soient positifs. L activité de schématisation prend ici une place tout particulièrement importante dans cette partie du programme : les élèves y manipulent des représentations symboliques codées, ce qu ils ont encore peu réalisé. Objectifs de la leçon Les objectifs sont présents dans les pages d ouverture du chapitre ; ils annoncent les compétences théoriques et expérimentales visées dans le chapitre : Apprendre à utiliser un multimètre en voltmètre. Apprendre à mesurer une tension. érifier qu il peut y avoir une tension entre les deux bornes d un dipôle qui n est pas traversé par le courant. érifier qu un dipôle peut être parcouru par un courant sans tension notable entre ses bornes. Savoir choisir une lampe adaptée à une pile donnée. Compétence expérimentale : Brancher un multimètre utilisé en voltmètre. Compétence expérimentale : Mesurer une tension. CHAPITRE 7 Une grandeur électrique : la tension 61

Activités Dans les pages d activités, l élève assiste quasiment «en direct» aux expériences grâce aux photographies. On lui pose un certain nombre de questions qui le guident pour atteindre les différents objectifs du chapitre. Il trouvera toutes les réponses dans les deux pages suivantes, c est-à-dire dans la rubrique «cours» : les mêmes expériences y sont analysées suivant une démarche en trois volets, toujours identique : observation, interprétation, conclusion. À la fin du cours, l essentiel apparaît sous forme de dessins et de schémas. L élève pourra en retrouver une trace écrite en complétant le premier exercice de la partie «Je contrôle mes connaissances». Les réponses données à la fin de l ouvrage lui permettront de vérifier si le «minimum» est acquis. 1. Comment mesurer la tension entre les bornes d une pile plate? Cette activité est une étape fondamentale dans la progression : il s agit de la première mesure réalisée en électricité par les élèves. Grâce aux photographies et par un questionnement simple et précis, les différentes étapes à réaliser pour utiliser correctement un multimètre en voltmètre sont clairement détaillées. La mesure de la tension aux bornes d une pile plate permet de préciser la notation de la grandeur tension (U) ainsi que son unité. Le respect de la couleur des fils n est pas anodin : on peut faire remarquer que le fil rouge est directement relié au signe «+» de la pile et le fil noir au signe «-». Le but, conformément aux instructions officielles, est d obtenir une mesure toujours positive de la grandeur. 2. Que vaut la tension aux bornes d autres dipôles isolés? Cette activité est un prolongement des définitions de «générateur» et «récepteur» données en classe de 5 e. Après avoir effectué diverses mesures, l élève pourra s apercevoir que la tension n est pas nulle entre les bornes d un générateur isolé, contrairement à celles d un récepteur. D autre part, la mesure de la tension aux bornes d une pile usagée permettra de justifier l évolution au cours du temps de cette grandeur dans un circuit électrique. 3. Comment mesurer la tension aux bornes de dipôles formant un circuit? L accent est tout d abord mis sur le mode de branchement du voltmètre dans un circuit en fonctionnement. Afin de faciliter le travail en autonomie, le vocabulaire spécifique est rappelé dans un encart spécial sur la même page. Cette activité renferme un des points forts du programme : «Reconnaître qu il peut y avoir une tension entre deux points entre lesquels ne passe aucun courant et qu inversement un dipôle peut être parcouru par un courant sans tension notable entre ses bornes». Ces conclusions ressortent de la comparaison des valeurs de la tension aux bornes de tous les dipôles d un montage en boucle simple, en circuit fermé puis ouvert. 4. À quelle condition une lampe et une pile sont-elles bien adaptées? Cette activité cible la deuxième «utilisation» de la tension : l adaptation entre un récepteur et un générateur. Afin de faciliter l approche de cette notion déjà rencontrée l année précédente, le parallèle est fait entre l éclat de la lampe et la tension entre ses bornes. Le déroulement guidé de l expérience ainsi que les photographies explicites des trois montages permettent de façon claire d aboutir à la phrase de conclusion. Documents 1. Présentation du multimètre Ce chapitre d électricité constitue pour les élèves la première occasion de rencontrer l appareil de mesure qu ils utiliseront durant leur scolarité au collège. Il paraît donc nécessaire d en faire une présentation simple mais complète : l utilisation des couleurs présentes sur le multimètre permet un repérage rapide des différentes fonctions de cet appareil. Même si le type de multimètre change selon les établissements, le professeur pourra mettre à profit ce document pour montrer que la démarche d utilisation d un multimètre est identique malgré la variété des appareils. 62 Partie 2 Les lois du courant continu

Réponses aux questions 1. Ce multimètre permettra la mesure de la tension électrique : on voit d une part que le sélecteur est placé dans le secteur des tensions continues sur le calibre 600, et d autre part que les bornes de connexion utilisées sont et «COM». 2. Le résultat de la mesure sera exprimé en volts. 3. Puisque le calibre sélectionné est 600, la valeur maximale de la mesure réalisable sera 600. 2. Quand la très basse tension nous éclaire Ce mode d éclairage maintenant très utilisé permet d ancrer la tension dans la vie quotidienne, en mettant en avant ses avantages sans négliger les explications touchant à la sécurité électrique, interrogation fréquente et légitime des élèves. Réponses aux questions 1. La «très basse tension» correspond à des valeurs de tension ne dépassant pas 50 volts. 2. Les câbles ont une double fonction : ils servent à suspendre les lampes mais aussi à conduire le courant électrique. 3. Une gaine isolante n est pas nécessaire car la tension du courant qui parcourt ces câbles est relativement faible et présente très peu de danger. 4. L éclairage «très basse tension» présente beaucoup d avantages : La lumière produite est proche de la lumière naturelle, d où un plus grand confort ; La consommation électrique est moindre pour la même efficacité lumineuse ; Les câbles suspensifs d alimentation s adaptent aux différents types d habitats de façon esthétique. Compétence expérimentale et démarche d investigation Brancher un multimètre utilisé en voltmètre Mesurer une tension Cette page place l élève face à un problème concret qu il doit résoudre en mettant à profit les compétences acquises durant le chapitre. L illustration et la description concise permettent une appropriation facile du problème. L élève travaille ensuite en reprenant la démarche expérimentale. Je réfléchis Les élèves, responsabilisés et motivés par l obtention ultérieure du matériel, travaillent par groupes de deux ou trois. La discussion peut s engager pour émettre des hypothèses et proposer un protocole expérimental au professeur. La diversité des groupes et leurs différentes vitesses d exécution facilite la gestion de la classe en échelonnant les interventions de l enseignant au sein de chaque groupe. Je réalise le montage Après avoir obtenu l accord du professeur (consigne explicite), l élève récupère le matériel pour conduire lui-même la résolution du problème. Le professeur peut ainsi évaluer les compétences expérimentales mises en jeu. Je communique mes résultats L acquisition et la structuration des connaissances passe par un compte-rendu qui respecte les consignes fixées par le professeur. Établies en début d année, les élèves se les approprient au fil des séances et deviennent de plus en plus autonomes. Correction des exercices Je contrôle mes connaissances 1 Je retrouve l essentiel Une tension électrique s exprime en volts (symbole : ) et se mesure avec un voltmètre (symbole : ). Un voltmètre se monte en dérivation. Une tension peut exister entre les bornes d un dipôle sans qu il soit traversé par le courant. Un courant peut traverser un dipôle même si la tension entre ses bornes est nulle. Dans un circuit en boucle simple, la tension du générateur est appliquée, par l intermédiaire des fils, entre les bornes du récepteur. Une lampe est bien adaptée à un générateur si cette lampe brille normalement.la tension entre les bornes de la lampe est alors voisine de sa tension nominale. Lorsque la tension entre les bornes d une lampe est inférieure à sa tension nominale, on dit qu elle est en sous-tension : elle brille peu. Lorsque la tension entre les bornes d une lampe est supérieure à sa tension nominale, on dit qu elle est en surtension : elle brille trop et risque d être détruite. CHAPITRE 7 Une grandeur électrique : la tension 63

2 Préparer un multimètre à fonctionner en voltmètre a. Le sélecteur de fonction est désigné, sur la photographie, par le numéro 2. b. Pour mesurer une tension continue, il faut placer le sélecteur dans la zone 5. c. Le courant doit entrer dans l appareil par la borne A (marquée ) et sortir par la borne B (marquée «COM»). 3 Repérer les calibres d un voltmètre a. Ce voltmètre dispose des calibres 2, 20, 200 et 600. b. Il faut toujours débuter une mesure par le plus grand calibre afin de ne pas risquer de détériorer l appareil. c. Le voltmètre affiche «1.» lorsque la grandeur mesurée est supérieure au calibre sélectionné. 4 Savoir lire un résultat a. La tension entre les bornes de la pile est de 4,45. b. On a utilisé le calibre 20. c. Le calibre immédiatement inférieur est 2 : on ne peut donc pas l utiliser puisque la valeur de la tension mesurée lui est supérieure. d. En permutant les connexions sur la pile, le voltmètre afficherait «4,45», il serait monté «à l envers». Sa borne serait connectée à la borne négative de la pile et sa borne «COM» à la borne positive. 5 Mesurer la tension d une pile a. La pile plate est censée avoir une tension de 4,5 entre ses bornes. Il faut donc choisir le calibre disponible qui est immédiatement supérieur à cette valeur : c est 20. b. La borne «plus» de la pile doit être connectée à la borne du multimètre, et la borne «moins» doit être reliée à la borne «COM». 6 Adapter une lampe à une pile a. La lampe qui brille le moins est celle dont la tension nominale vaut 6 car elle est alimentée par une tension inférieure à sa tension nominale. b. La lampe en surtension est celle dont la tension nominale vaut 1,5 car elle est alimentée par une tension très supérieure à sa tension nominale. c. La lampe la mieux adaptée au générateur est celle dont la tension nominale vaut 4 car elle est alimentée par une tension voisine de sa tension nominale. J utilise mes connaissances 7 Représenter des voltmètres sur un schéma 8 + Choisir le bon schéma de montage a. Le montage 2 permettra de connaître la tension entre les bornes de la lampe. b. Dans le montage 1, on ne mesure pas la tension aux bornes de la lampe mais aux bornes de l interrupteur ; le voltmètre du montage 3 est monté en série. 9 Repérer la tension nominale a. La tension nominale de cette lampe est de 230. b. Alimentée par une pile plate, la lampe est en soustension : la tension de la pile est tellement inférieure à la tension nominale de la lampe que celle-ci ne s éclaire même pas! 10 Analyser un montage et prévoir les résultats des mesures a. + G b. Le circuit est fermé car la lampe brille. c. Le voltmètre mesure la tension U L = 6. U F = 0 (la tension est nulle aux bornes d un fil). U K = 0 (la tension est nulle aux bornes d un interrupteur fermé). U G = 6 (dans un montage en boucle simple, la tension du générateur est appliquée aux bornes du récepteur : elle sont donc identiques). 11 Effectuer des conversions a. 1 = 1 000 m. d. 0,03 = 30 m. b. 5 = 0, 005 k. e. 100 000 = 100 k. c. 325 m = 0,325. f. 0,23 k = 230000 m. 64 Partie 2 Les lois du courant continu

12 a. Corriger une erreur de montage b. La valeur affichée est négative car le courant entre par la borne «COM» et sort par la borne. Il faudrait donc inverser les connexions sur le voltmètre. c. La tension entre les bornes de la pile est 3,87. Le générateur est une pile plate dont la tension vaut 4,5 lorsqu elle est neuve. La pile est donc peu usagée. d. La lampe est bien adaptée à la pile puisque sa tension nominale est voisine de celle du générateur. 13 + J approfondis mes connaissances Retrouver les valeurs de la tension COM 2 + 3 1 COM COM 14 Associer des piles a. Aux bornes d une pile ronde, on a une tension de 1,5. Aux bornes d une pile plate, on a une tension de 4,5. Aux bornes d une pile rectangulaire, on a une tension de 9. b. Sur la figure 1, on voit qu une pile plate résulte de l association de trois piles rondes : 1,5 + 1,5 + 1,5 = 4,5. De la même façon, en regardant la figure 2, on voit que six piles rondes associées entre elles fournissent une tension de : 6 x 1,5 = 9. C est bien la tension qui existe entre les bornes d une pile rectangulaire. 15 Un peu de maths a. On ne peut pas affirmer que 220 est le résultat exact de la mesure : il faut tenir compte de l indication de la notice, qui précise que le résultat est donné avec une «marge d erreur» de 1,5 %. b. Le résultat de mesure peut donc s exprimer sous la forme d un encadrement : 220 (1,5 x 220 /100) < U < 220 + (1,5 x 220 /100) c est-à-dire : 220 3,3 < U < 220 + 3,3 soit : 216,7 < U < 223,3. 16 Alimenter une lampe avec plusieurs piles a. Schéma dela figure 1 : la lampe a un éclat faible. a. U 2 = U 1 = 6 (dans un montage en boucle simple, la tension du générateur est appliquée aux bornes du récepteur : elle sont donc identiques). b. U 3 = 0 (la tension est nulle aux bornes d un interrupteur fermé). c. Si l interrupteur est ouvert, alors : U 1 = 6 (la tension aux bornes du générateur n a pas changé) ; U 2 = 0 (la lampe ne brille pas car aucun courant ne circule) ; U 3 = 6 (la tension entre les bornes de l interrupteur ouvert est égale à celle du générateur dans un montage en boucle simple). + + Schéma de la figure 2 : la lampe a un éclat normal. + + + b. Dans le premier montage, la tension aux bornes de la lampe est identique à la tension fournie par l association de deux piles rondes : 1,5 + 1,5 = 3. Dans le second montage, la tension aux bornes de la lampe est identique à la tension fournie par l association de trois piles rondes : 1,5 + 1,5 + 1,5 = 4,5. c. Les trois piles du montage de la figure 2 pourraient être remplacées par une seule pile plate. CHAPITRE 7 Une grandeur électrique : la tension 65

17 Un peu d histoire Réponse en français Alessandro olta (1745-1827) était un physicien italien qui a beaucoup travaillé sur les phénomènes électriques. Sa plus célèbre invention est la pile électrique (1800), réalisée par l empilement de lames métalliques de zinc et d argent séparées par une lame imbibée d un liquide conducteur (de l eau salée). 18 Physics in English Traduction de l énoncé oici une liste de calibres disponibles sur un voltmètre : 0,2, 2, 20, 200 et 1000. Choisis le calibre le mieux adapté pour mesurer chacune des tensions suivantes: 4,5, 12, 150 m, 1,5, 110. Tension mesurée Calibre le mieux adapté 4,5 20 12 20 150 m 0,2 1,5 2 110 200 Réponse en anglais Measured voltage Best adapted range setting 4,5 20 12 20 150 m 0,2 1,5 2 110 200 66 Partie 2 Les lois du courant continu