Tension - Voltage

Tension
Comparaison des piles AA AAA AAAA A23-1.jpg
Les batteries sont des sources de tension dans de nombreux circuits électriques .
Symboles communs
V , Δ V , U , Δ U
Unité SI volt
En unités de base SI kg⋅m 2 s −3 ⋅A −1
Dérivations d'
autres quantités
Tension = Énergie / charge
Dimension M L 2 T -3 I -1

La tension , la différence de potentiel électrique , la pression électrique ou la tension électrique est la différence de potentiel électrique entre deux points, qui (dans un champ électrique statique ) est définie comme le travail nécessaire par unité de charge pour déplacer une charge d'essai entre les deux points. Dans le Système international d'unités , l' unité dérivée de la tension (différence de potentiel) est appelée volt . En unités SI, le travail par unité de charge est exprimé en joules par coulomb , où 1 volt = 1 joule (de travail) pour 1 coulomb (de charge). L'ancienne définition SI du volt utilisait la puissance et le courant ; à partir de 1990, l' effet Hall et Josephson quantique ont été utilisés, et récemment (2019) des constantes physiques fondamentales ont été introduites pour la définition de toutes les unités SI et unités dérivées. La tension ou la différence de potentiel électrique est désignée symboliquement par , simplifié V , ou U , par exemple dans le contexte des lois des circuits d' Ohm ou de Kirchhoff .

Les différences de potentiel électrique entre les points peuvent être causées par l'accumulation de charge électrique (par exemple, un condensateur ) et par une force électromotrice (par exemple, l'induction électromagnétique dans le générateur , les inducteurs et les transformateurs ). À l'échelle macroscopique, une différence de potentiel peut être causée par des processus électrochimiques (par exemple, des piles et des batteries), l' effet piézoélectrique induit par la pression et la force électromotrice induite par la chaleur à travers les jonctions métal-métal. Ces derniers processus au niveau microscopique ont les origines physiques précédemment évoquées.

Un voltmètre peut être utilisé pour mesurer la tension (ou la différence de potentiel) entre deux points d'un système. Souvent, un potentiel de référence commun tel que la masse du système est utilisé comme l'un des points. Une tension peut représenter soit une source d'énergie, soit la perte, la dissipation ou le stockage d'énergie.

Définition

Il existe plusieurs façons utiles de définir la tension, y compris la définition standard mentionnée précédemment. Il existe également d'autres définitions utiles du travail par charge (voir § Potentiel de Galvani vs potentiel électrochimique ).

La tension est définie de telle sorte que les objets chargés négativement soient attirés vers des tensions plus élevées, tandis que les objets chargés positivement sont attirés vers des tensions plus basses. Par conséquent, le courant conventionnel dans un fil ou une résistance passe toujours d'une tension plus élevée à une tension plus basse.

Historiquement, la tension a été désignée en utilisant des termes tels que « tension » et « pression ». Même aujourd'hui, le terme "tension" est encore utilisé, par exemple dans l'expression " haute tension " (HT) qui est couramment utilisée dans l' électronique à base de vanne thermoionique ( tube à vide ).

Définition en électrostatique

Le champ électrique autour de la tige exerce une force sur la boule de moelle chargée, dans un électroscope
Dans un champ statique, le travail est indépendant du chemin

En électrostatique , l'augmentation de la tension d'un point à un certain point est donnée par la variation du potentiel électrostatique de à . Par définition, c'est :

Dans ce cas, l'augmentation de tension du point A au point B est égale au travail effectué par charge unitaire, contre le champ électrique, pour déplacer la charge de A à B sans provoquer d'accélération. Mathématiquement, cela est exprimé comme la ligne intégrale du champ électrique le long de ce chemin. En électrostatique, cette intégrale de ligne est indépendante du chemin emprunté.

Selon cette définition, tout circuit où il existe des champs magnétiques variables dans le temps, tels que les circuits alternatifs , n'aura pas de tension bien définie entre les nœuds du circuit, car la force électrique n'est pas une force conservatrice dans ces cas. Cependant, à des fréquences plus basses, lorsque les champs électriques et magnétiques ne changent pas rapidement, cela peut être négligé (voir approximation électrostatique ).

Généralisation à l'électrodynamique

Le potentiel électrique peut être généralisé à l'électrodynamique, de sorte que les différences de potentiel électrique entre les points sont bien définies même en présence de champs variant dans le temps. Cependant, contrairement à l'électrostatique, le champ électrique ne peut plus s'exprimer uniquement en termes de potentiel électrique. De plus, la signification et la valeur des différences de potentiel dépendront du choix de la jauge .

Dans ce cas général, certains auteurs utilisent le mot « tension » pour désigner l'intégrale linéaire du champ électrique, plutôt que des différences de potentiel électrique. Dans ce cas, l'élévation de tension le long d'un chemin de à est donnée par :

Cependant, dans ce cas la "tension" entre deux points dépend du chemin emprunté.

Traitement en théorie des circuits

En analyse de circuits et en génie électrique , des modèles d'éléments localisés sont utilisés pour représenter et analyser des circuits. Ces éléments sont des éléments de circuit idéalisés et autonomes utilisés pour modéliser des composants physiques.

Lors de l'utilisation d'un modèle à éléments localisés, il est supposé que les effets des champs magnétiques changeants produits par le circuit sont convenablement contenus pour chaque élément. Sous ces hypothèses, le champ électrique dans la région extérieure à chaque composant est prudent, et les tensions entre les nœuds du circuit sont bien définies, où

tant que le chemin d'intégration ne passe par l'intérieur d'aucun composant. Ce qui précède est la même formule utilisée en électrostatique. Cette intégrale, avec le chemin d'intégration le long des cordons de test, est ce qu'un voltmètre mesurera réellement.

Si les champs magnétiques non contenus dans tout le circuit ne sont pas négligeables, alors leurs effets peuvent être modélisés en ajoutant des éléments d' inductance mutuelle . Dans le cas d'un inducteur physique, la représentation globale idéale est souvent exacte. En effet, les champs externes des inducteurs sont généralement négligeables, surtout si l'inducteur a un chemin magnétique fermé . Si les champs externes sont négligeables, nous trouvons que

est indépendant du chemin et il existe une tension bien définie aux bornes de l'inducteur. C'est la raison pour laquelle les mesures avec un voltmètre aux bornes d'une inductance sont souvent raisonnablement indépendantes de l'emplacement des cordons de test.

Volt

Le volt (symbole : V ) est l' unité dérivée du potentiel électrique , de la différence de potentiel électrique et de la force électromotrice . Le volt est nommé en l'honneur du physicien italien Alessandro Volta (1745-1827), qui a inventé la pile voltaïque , peut-être la première pile chimique .

Analogie hydraulique

Une simple analogie pour un circuit électrique est l' eau circulant dans un circuit fermé de tuyauterie , entraîné par une pompe mécanique . Cela peut être appelé un "circuit d'eau". La différence de potentiel entre deux points correspond à la différence de pression entre deux points. Si la pompe crée une différence de pression entre deux points, alors l'eau circulant d'un point à l'autre pourra effectuer un travail, comme entraîner une turbine . De même, le travail peut être effectué par un courant électrique entraîné par la différence de potentiel fournie par une batterie . Par exemple, la tension fournie par une batterie automobile suffisamment chargée peut « pousser » un courant important à travers les enroulements du démarreur d'une automobile . Si la pompe ne fonctionne pas, elle ne produit aucune différence de pression et la turbine ne tournera pas. De même, si la batterie de l'automobile est très faible ou "morte" (ou "à plat"), elle ne fera pas tourner le démarreur.

L'analogie hydraulique est un moyen utile de comprendre de nombreux concepts électriques. Dans un tel système, le travail effectué pour déplacer l' eau est égale à la « pression chute » (comparer pd) multiplié par le volume de l' eau déplacée. De même, dans un circuit électrique, le travail effectué pour déplacer des électrons ou d'autres porteurs de charges est égal à la « différence de pression électrique » multipliée par la quantité de charges électriques déplacées. Par rapport au « débit », plus la « différence de pression » entre deux points est importante (différence de potentiel ou différence de pression d'eau), plus le débit entre eux (courant électrique ou débit d'eau) est important. (Voir " alimentation électrique ".)

Applications

Travailler sur des lignes électriques à haute tension

La spécification d'une mesure de tension nécessite une spécification explicite ou implicite des points à travers lesquels la tension est mesurée. Lors de l'utilisation d'un voltmètre pour mesurer la différence de potentiel, un fil électrique du voltmètre doit être connecté au premier point, un au deuxième point.

Une utilisation courante du terme « tension » consiste à décrire la chute de tension aux bornes d'un appareil électrique (comme une résistance). La chute de tension aux bornes de l'appareil peut être comprise comme la différence entre les mesures à chaque borne de l'appareil par rapport à un point de référence commun (ou masse ). La chute de tension est la différence entre les deux lectures. Deux points d'un circuit électrique qui sont connectés par un conducteur idéal sans résistance et non dans un champ magnétique changeant ont une tension nulle. Deux points ayant le même potentiel peuvent être connectés par un conducteur et aucun courant ne circulera entre eux.

Addition de tensions

La tension entre A et C est la somme de la tension entre A et B et de la tension entre B et C . Les différentes tensions dans un circuit peuvent être calculées à l'aide des lois de circuit de Kirchhoff .

Lorsqu'on parle de courant alternatif (AC), il existe une différence entre la tension instantanée et la tension moyenne. Des tensions instantanées peuvent être ajoutées pour le courant continu (CC) et le courant alternatif, mais les tensions moyennes ne peuvent être ajoutées de manière significative que lorsqu'elles s'appliquent à des signaux qui ont tous la même fréquence et la même phase.

Instruments de mesure

Multimètre réglé pour mesurer la tension

Les instruments de mesure des tensions comprennent le voltmètre , le potentiomètre et l' oscilloscope . Les voltmètres analogiques , tels que les instruments à bobine mobile, fonctionnent en mesurant le courant à travers une résistance fixe qui, selon la loi d' Ohm , est proportionnelle à la tension aux bornes de la résistance. Le potentiomètre fonctionne en équilibrant la tension inconnue par rapport à une tension connue dans un circuit en pont . L'oscilloscope à rayons cathodiques fonctionne en amplifiant la tension et en l'utilisant pour dévier un faisceau d' électrons d'un trajet rectiligne, de sorte que la déviation du faisceau est proportionnelle à la tension.

Tensions typiques

Une tension courante pour les piles de lampes de poche est de 1,5 volts (CC). Une tension courante pour les batteries automobiles est de 12 volts (CC).

Les tensions courantes fournies par les compagnies d'électricité aux consommateurs sont de 110 à 120 volts (AC) et de 220 à 240 volts (AC). La tension dans les lignes de transport d' électricité utilisées pour distribuer l'électricité des centrales électriques peut être plusieurs centaines de fois supérieure aux tensions des consommateurs, généralement de 110 à 1200 kV (AC).

La tension utilisée dans les lignes aériennes pour alimenter les locomotives ferroviaires est comprise entre 12 kV et 50 kV (AC) ou entre 0,75 kV et 3 kV (DC).

Potentiel de Galvani vs potentiel électrochimique

À l'intérieur d'un matériau conducteur, l'énergie d'un électron est affectée non seulement par le potentiel électrique moyen, mais également par l'environnement thermique et atomique spécifique dans lequel il se trouve. Lorsqu'un voltmètre est connecté entre deux types de métaux différents, il ne mesure pas l' électricité statique. différence de potentiel, mais à la place quelque chose d'autre qui est affecté par la thermodynamique. La quantité mesurée par un voltmètre est le négatif de la différence du potentiel électrochimique des électrons ( niveau de Fermi ) divisé par la charge électronique et communément appelée différence de tension, tandis que le potentiel électrostatique pur non ajusté (non mesurable avec un voltmètre) est parfois appelé potentiel Galvani . Les termes "tension" et "potentiel électrique" sont ambigus dans la mesure où, en pratique, ils peuvent se référer à l'un ou l'autre dans des contextes différents.

Histoire

Le terme force électromotrice a été utilisé pour la première fois par Volta dans une lettre à Giovanni Aldini en 1798, et est apparu pour la première fois dans un article publié en 1801 dans Annales de chimie et de physique . Volta entendait par là une force qui n'était pas une force électrostatique , en particulier une force électrochimique . Le terme a été repris par Michael Faraday en rapport avec l'induction électromagnétique dans les années 1820. Cependant, une définition claire de la tension et de la méthode de mesure de celle-ci n'avaient pas encore été élaborées. Volta distinguait la force électromotrice (fem) de la tension (différence de potentiel) : la différence de potentiel observée aux bornes d'une cellule électrochimique lorsqu'elle était en circuit ouvert doit équilibrer exactement la fem de la cellule afin qu'aucun courant ne circule.

Voir également

Les références

  1. ^ a b Bureau international des poids et mesures (2019-05-20), Brochure SI: Le système international d'unités (SI) (PDF) (9e éd.), ISBN 978-92-822-2272-0
  2. ^ IEV : potentiel électrique
  3. ^ VEI : tension
  4. ^ Demetrius T. Paris et F. Kenneth Hurd, Théorie électromagnétique de base , McGraw-Hill, New York 1969, ISBN  0-07-048470-8 , pp. 512, 546
  5. ^ P. Hammond, L'électromagnétisme pour les ingénieurs , p. 135, Pergamon Press 1969 OCLC  854336 .
  6. ^ A b c d e Griffiths, J. David (1999). Introduction à l'électrodynamique (3e éd.). Prentice Hall. ISBN 013805326X.
  7. ^ Lune, Parry; Spencer, Domina Eberle (2013). Fondements de l'électrodynamique . Publications de Douvres. p. 126. ISBN 978-0-486-49703-7.
  8. ^ A b c A. Agarwal & J. Lang (2007). "Matériel de cours pour les circuits 6.002 et l'électronique" (PDF) . MIT OpenCourseWare . Consulté le 4 décembre 2018 .
  9. ^ Bossavit, Alain (janvier 2008). "Que mesurent les voltmètres ?". COMPEL - La revue internationale de calcul et de mathématiques en génie électrique et électronique . doi : 10.1108/03321640810836582 – via ResearchGate.
  10. ^ Feynman, Richard; Leighton, Robert B. ; Sables, Matthieu. "Les Conférences Feynman sur la Physique Vol. II Ch. 22: Circuits AC" . Caltech . Récupéré le 2021-10-09 .
  11. ^ Bagotskii, Vladimir Sergueïevitch (2006). Fondamentaux de l'électrochimie . p. 22. ISBN 978-0-471-70058-6.
  12. ^ A b c Robert N. Varney, Leon H. Fisher, "force électromotrice: concept oublié de Volta" , American Journal of Physics , vol. 48, par. 5, p. 405-408, mai 1980.
  13. ^ CJ Brockman, "L'origine de l'électricité voltaïque: la théorie du contact contre la chimie avant le développement du concept de CEM" , Journal of Chemical Education , vol. 5, non. 5, p. 549-555, mai 1928

Notes de bas de page

  1. ^ Cela découle de l' équation de Maxwell-Faraday : S'il y a des champs magnétiques changeants dans unerégion simplement connectée , alors la boucle du champ électrique dans cette région est non nulle, et par conséquent le champ électrique n'est pas conservateur. Pour plus d'informations, voir Force conservatrice § Description mathématique .
  2. ^ Cette déclaration fait quelques hypothèses sur la nature du voltmètre (ceux-ci sont discutés dans l'article cité). L'une de ces hypothèses est que le courant consommé par le voltmètre est négligeable.

Liens externes