Intensité et tension : deux grandeurs qu'on ne confond plus

Deux mots reviennent sans arrêt dans ce chapitre : intensité et tension. Beaucoup d'élèves les emploient l'un pour l'autre — et tout le reste du chapitre s'effondre. On les sépare une bonne fois pour toutes.

D'abord un mot de vocabulaire : un dipôle est un composant relié au circuit par deux bornes. Une lampe, un moteur, une résistance, un vibreur, une pile : ce sont tous des dipôles.

Le mécanisme, en trois phrases. Dans les fils métalliques d'un circuit fermé, des charges électriques se déplacent, toutes ensemble, mises en mouvement par le générateur. L'intensité compte combien de charge traverse une section de fil chaque seconde : c'est un débit, exactement comme un débit d'eau se compte en litres par seconde. La tension, elle, ne se compte pas en un endroit : elle compare deux points et mesure ce qui pousse les charges de l'un vers l'autre.

D'où vient le branchement de chaque appareil, et c'est toute la question de cette leçon :

1. Un ampèremètre doit être traversé par le courant qu'il mesure. On l'insère donc dans le circuit, à la place d'un fil : c'est le branchement en série.
2. Un voltmètre doit comparer deux points. On pose donc ses deux fils sur les deux bornes du dipôle, sans rien débrancher : c'est le branchement en dérivation.

Trois phrases pour te tester. « L'intensité du courant qui traverse la lampe » : correct. « La tension aux bornes de la lampe » : correct. « La tension qui traverse la lampe » : faux — une tension ne traverse rien.

Une image utile, et ses limites. Compare le circuit à un circuit d'eau fermé avec une pompe. Le débit d'eau joue le rôle de l'intensité ; la différence de pression entre l'entrée et la sortie d'un tuyau joue le rôle de la tension. L'image aide à sentir que l'un est un débit et l'autre une différence — mais elle a des limites. Dans le circuit métallique simple étudié, on suit les charges dans les fils et les composants ; cela ne signifie pas que tout courant électrique soit confiné à des fils métalliques, comme le montrent les électrolytes ou les étincelles.

Une phrase à retenir mot pour mot : ce qui traverse, c'est l'intensité ; ce qui se mesure entre deux points, c'est la tension.

Le sens conventionnel du courant. Sur un schéma, on fléche le courant de la borne + vers la borne − du générateur, en passant par l'extérieur du circuit. C'est une convention choisie il y a deux siècles, avant qu'on connaisse l'électron : dans un fil métallique, les électrons se déplacent en réalité dans l'autre sens. Cela ne change rien aux calculs, à condition d'être constant.

Le multimètre : un seul appareil, deux fonctions. En travaux pratiques, l'ampèremètre et le voltmètre sont le plus souvent le même boîtier, un multimètre, dont on change le réglage — et parfois la borne où l'on branche le fil rouge.

• En position ampèremètre (A ou mA), il faut ouvrir le circuit pour l'insérer : on débranche un fil, on met l'appareil à sa place, on referme. Le courant le traverse.
• En position voltmètre (V), on ne débranche rien : on pose les deux pointes sur les deux bornes du dipôle, circuit en marche.

Retiens le branchement : un ampèremètre s’insère en série dans la branche à mesurer ; un voltmètre se relie en dérivation aux deux points comparés. La préparation du montage se fait hors tension, selon les consignes de classe.

Pourquoi ce branchement, et pas l'inverse. Un ampèremètre est construit pour se comporter presque comme un simple fil : il se laisse traverser sans gêner le circuit. Un voltmètre, au contraire, est construit pour se comporter presque comme une coupure : il ne laisse passer presque aucun courant, si bien que le brancher ne change pratiquement rien au circuit.

Les intervertir a deux conséquences très différentes :

1. Un voltmètre branché en série se comporte comme une coupure : le circuit ne fonctionne plus, la lampe reste éteinte, et la mesure ne veut rien dire.
2. Un ampèremètre branché en dérivation aux bornes d'un générateur se comporte comme un fil posé directement entre les deux bornes : c'est un court-circuit. Un fort courant peut provoquer un échauffement ou endommager le montage ; le déclenchement éventuel d’une protection dépend du matériel. C'est l'erreur à ne jamais commettre.

Une boucle ouverte : intensité nulle, tension possible. Dans le circuit continu à une seule boucle étudié, ouvre l’interrupteur : une fois le régime établi, $I = 0$ A dans toute cette boucle. Dans un montage en dérivation, ouvrir une branche n’arrête pas nécessairement le courant dans les autres. Et pourtant, un voltmètre branché aux bornes de la pile indique toujours 4,5 V. Une pile neuve posée sur la table, reliée à rien du tout, a bien 4,5 V entre ses bornes : la tension existe avant le courant, c'est même elle qui le provoque quand on ferme le circuit. Cette idée est difficile ; elle est aussi celle que les correcteurs voient rater le plus souvent.

Ordres de grandeur à avoir en tête.

Une intensité de travaux pratiques se compte en milliampères ou en fractions d'ampère : $1\ \text{mA} = 0{,}001$ A, donc $250\ \text{mA} = 0{,}250$ A. Si un calcul te donne « 300 A » dans un circuit de classe, quelque chose ne va pas.

Sécurité. Toutes les manipulations de classe se font sous des tensions faibles (piles, générateurs de laboratoire). Le secteur, à 230 V, est dangereux : on n'y branche jamais un montage. Ce n'est pas la tension seule qui blesse, c'est le courant qu'elle fait passer dans le corps.

Ce qui vient ensuite. Tu sais maintenant comment mesurer $I$ et $U$. La leçon Lois des circuits : série et dérivation explique comment ces grandeurs se répartissent entre les dipôles ; la loi d’Ohm relie ensuite tension et intensité pour un conducteur ohmique.

Dans un modèle continu, un binôme monte un circuit en série : une source idéale de 4,5 V, une lampe, un moteur et un interrupteur. On néglige la résistance des fils et de l’ampèremètre, ainsi que le courant absorbé par le voltmètre. Les dipôles forment une seule boucle : le courant sort de la pile, traverse successivement chaque dipôle, puis revient à la pile.

1. On veut mesurer l'intensité du courant qui traverse la lampe. Quel appareil, et comment le brancher ? Une intensité se mesure avec un ampèremètre. L'appareil doit être traversé par le courant qu'il mesure : on ouvre le circuit à côté de la lampe et on l'insère en série. L'appareil affiche $I = 0{,}180$ A.

2. Convertir cette intensité en milliampères.

Un ampère vaut mille milliampères : on multiplie par 1000 pour passer des A aux mA.

3. On veut maintenant mesurer la tension aux bornes de la lampe. Quel appareil, et comment le brancher ? Une tension se mesure avec un voltmètre, branché en dérivation : un fil sur chaque borne de la lampe, sans rien débrancher. L'appareil affiche $U_{\text{lampe}} = 2{,}8$ V.

4. L'interrupteur est ouvert. Que lisent les deux appareils ? Plus aucun courant ne circule : l'ampèremètre affiche $I = 0$ mA, et le voltmètre branché aux bornes de la lampe affiche lui aussi 0 V, puisque la lampe n'est plus alimentée. Mais si l'on déplace le voltmètre aux bornes de la pile, il affiche toujours 4,5 V : la pile impose une tension entre ses bornes, courant ou pas.

5. Le binôme voisin a branché son ampèremètre en dérivation aux bornes de la pile. Que se passe-t-il ? L'ampèremètre se comporte presque comme un fil : le placer directement entre les deux bornes de la pile crée un court-circuit. Un fort courant risque de provoquer échauffement ou dommages ; une protection peut intervenir selon le matériel. Le modèle idéal ne décrit pas ces limites physiques. Un ampèremètre se branche toujours en série.

6. Interpréter, et ouvrir sur la suite. Deux nombres sont sortis de ce montage : 180 mA et 2,8 V. Ils ne décrivent pas la même chose. Les 180 mA traversent aussi le moteur et l'interrupteur, car il n'y a qu'un seul chemin ; les 2,8 V, eux, concernent la lampe seule — le moteur porte les 1,7 V restants dans ce modèle lorsque l’interrupteur est fermé. Pourquoi le courant est-il le même partout ? Pourquoi les tensions se partagent-elles ? Ces deux questions sont exactement le sujet de la leçon suivante.

Ce schéma simplifié comporte seulement une lampe, sans le moteur de l’exemple. La source idéale fournit 4,5 V ; fils, interrupteur fermé et ampèremètre sont supposés sans chute de tension, le voltmètre sans courant absorbé. La tension aux bornes de la lampe est donc 4,5 V. L’ampèremètre affiche 0,180 A et se trouve dans la boucle ; le voltmètre compare les deux bornes de la lampe.

Dans le second panneau, la boucle est ouverte : l’intensité est nulle en régime établi, mais la source garde 4,5 V entre ses bornes. Supprimer un voltmètre idéal ne modifie pas le circuit ; enlever l’ampèremètre sans rétablir le fil coupe la boucle. Les mesures réelles perturbent légèrement le montage : ces appareils sont ici idéalisés.