La tension électrique : cours de 4e

Tu connais déjà l'intensité du courant : elle décrit ce qui circule dans un fil. Mais une pile et une prise de courant ne se comportent pas de la même façon, même si le courant qui circule est parfois le même. Il manque une deuxième grandeur pour comprendre ce qui se passe : la tension électrique.

Dans ce cours, tu vas voir ce qu'est une tension, comment on la note, dans quelle unité on l'exprime, avec quel appareil on la mesure, d'où elle vient dans un circuit et pourquoi elle joue un rôle énorme dans le transport de l'électricité. Le programme du cycle 4 demande de donner du sens aux grandeurs de tension et d'intensité, et de rendre les élèves attentifs aux risques électriques.¹

Ce qui compte, c'est le mot « entre » : une tension n'existe jamais en un seul point. Elle compare deux endroits du circuit. Voilà pourquoi on parle toujours de « la tension aux bornes de la lampe » ou de « la tension aux bornes de la pile ».

Pour distinguer plusieurs tensions dans un même circuit, on ajoute souvent un petit repère : $U_{pile}$ pour la pile, $U_{lampe}$ pour la lampe. Le symbole reste U, c'est le repère qui change.

Le voltmètre est l'appareil dédié à la mesure d'une tension.² Il possède deux bornes, que tu relies aux deux points entre lesquels tu veux connaître la tension. Comme la tension se mesure entre deux points, tu n'as pas besoin de couper le circuit pour la mesurer : tu relies simplement le voltmètre en parallèle du dipôle étudié, c'est-à-dire en dérivation.

Pour décrire un dipôle en fonctionnement, il faut regarder les deux grandeurs. Le programme du cycle 4 les associe d'ailleurs : la tension aux bornes d'un dipôle et l'intensité du courant qui le traverse décrivent son fonctionnement.¹

Un tableau aide à ne pas les mélanger.

Une image utile : dans un transfert d'énergie par l'électricité, la tension joue le rôle de la grandeur d'« effort » et l'intensité celle de la grandeur de « flux ».³ C'est une image : la tension indique en quelque sorte la « poussée » donnée aux charges, l'intensité indique combien de charges passent chaque seconde.

Pourquoi y a-t-il une tension aux bornes d'une lampe ? Parce qu'un autre élément du circuit la maintient. Quand un circuit contient des éléments de résistance non nulle, la présence d'une tension prouve qu'un générateur entretient cette tension à ses bornes.² La pile, la prise du secteur ou une batterie sont des générateurs.

Sans générateur, un circuit n'a pas de tension durable : la lampe reste éteinte.

Tout dipôle d'un circuit développe une tension à ses bornes. Cela revient à dire qu'il échange de l'énergie avec les charges en mouvement qui le traversent, très souvent des électrons.² Cette tension correspond à l'énergie échangée pour chaque charge qui traverse le dipôle.²

Voici comment lire cela dans un circuit simple pile-lampe :

• dans la pile (le générateur), les charges gagnent de l'énergie ;
• dans la lampe (le récepteur), les charges cèdent de l'énergie, qui devient de la lumière et de la chaleur.

C'est pour cette raison que ce chapitre est placé dans le thème « L'énergie et ses conversions » : la tension est liée à l'énergie que chaque charge reçoit ou cède.

Les valeurs de tension couvrent une très grande étendue. En France, les ménages sont alimentés en basse tension, avec une valeur de 230 V pour les prises monophasées du logement.² Ce n'est pas une tension de pile : elle est bien plus grande et elle est dangereuse. C'est pourquoi le programme insiste sur la sensibilisation aux risques électriques.¹

À l'autre extrémité, l'énergie produite dans les centrales est transportée sous des tensions très élevées, qui se comptent en kilovolts. Un transformateur sert à élever la tension à la sortie d'une centrale thermique ou nucléaire, puis à la rabaisser avant l'arrivée chez les consommateurs.²

Les lignes électriques se classent selon leur tension de fonctionnement. La catégorie haute tension va de 33 kV à 230 kV et sert à transporter de grandes quantités d'énergie. La catégorie très haute tension va de plus de 230 kV jusqu'à 800 kV et sert aux longues distances.³

Cette question revient souvent. La réponse tient en une idée : pour transporter une même quantité d'énergie, on peut choisir une tension forte avec une intensité plus faible. Or, c'est l'intensité qui provoque l'essentiel des pertes pendant le transfert.³

On choisit donc la haute tension dès que l'énergie doit parcourir plus de quelques kilomètres. L'objectif est de limiter les chutes de tension et les pertes le long de la ligne.³

Une ligne à haute tension est l'élément principal des grands réseaux de transport d'électricité : elle amène l'énergie des centrales vers les réseaux de distribution, qui alimentent ensuite les consommateurs.³