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Electricité Initiation
TFS: DT01-120802.01
Tension - Courant - Puissance - Energie
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Sommaire
1. Préliminaires
2. Tension - Mesure de tension
3. Courant - Mesure de courant
4. Courants et tensions dans les circuits parallèles et les circuits série
5. Puissance
6. Energie
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1. Préliminaires
Dans un circuit électrique, composé d'un générateur, d'un interrupteur, de récepteurs et de
conducteurs :
• le générateur délivre une tension électrique (exprimée en volts - symbole : V)
• lorsque le circuit est fermé, un courant électrique (exprimé en ampères - symbole : A)
circule dans tous les éléments du circuit ; chaque récepteur est alors lui-même soumis à
une tension électrique
• le générateur doit fournir au circuit la puissance électrique (exprimée en watts - symbole :
W), nécessaire au fonctionnement des récepteurs (radiateur, moteur, lampe…)
• plus un récepteur est puissant et plus il fonctionne longtemps, plus il consomme de
l'énergie électrique (exprimée en kilowattheures - symbole : kWh). Le générateur doit
être capable de fournir l'énergie électrique consommée par l'ensemble des récepteurs
qu'il alimente.
Toutes ces grandeurs électriques peuvent se mesurer avec des appareils appropriés. Il est nécessaire de
prendre des précautions lorsqu'on effectue ces mesures, que ce soit :
- pour protéger les systèmes sur lesquels on fait ces mesures,
- pour protéger le technicien qui effectue ces mesures dans un environnement dangereux
(tensions supérieures à 24V, conducteurs non protégés, risque de court-circuit, humidité…)
L'utilisation d'appareils adaptés, la mise en œuvre de procédures de mesures fiables, le port de
systèmes de protection si nécessaire (lunettes, gants, casque…) par un personnel qualifié et agréé, tout
ceci contribue à cette protection des personnes et des biens.
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2. Tension - Mesure de tension
2.1 Volt : multiple et sous-multiple usuels
Que la tension soit alternative ou continue, l'unité de mesure de tension est le volt (symbole : V), mais on
utilise aussi ses multiples et sous-multiples, et particulièrement :
-
le kilovolt (symbole : kV), qui vaut 1000V, pour exprimer des valeur de tensions élevées (ex.400 kV
pour la haute-tension EDF, 20 kV pour la moyenne tension industrielle)
le millivolt (symbole : mV), qui vaut un millième de volt, pour exprimer de très faibles tensions
(souvent présentes en électronique : ex. 20 mV fournis par un microphone)
2.2 Multimètre-Voltmètre
La tension entre 2 points d'un circuit électrique se mesure à l'aide d'un voltmètre.
Plus généralement, on utilise un multimètre, appareil multi-fonctions comportant en particulier la
fonction "Voltmètre". Ces appareils sont de 2 types :
• multimètres numériques : lecture de la valeur mesurée directement sur l'écran de l'appareil.
• multimètres à aiguille : lecture de la valeur mesurée par une aiguille sur un cadran gradué.
Le voltmètre se branche "en parallèle" sur les 2 points entre lesquels on veut mesurer la tension.
En pratique, ce branchement s'effectue par l'intermédiaire de 2 cordons de mesure, généralement un
cordon noir et un cordon rouge :
• le cordon noir est relié à la borne du multimètre marquée généralement " - " ou " COM "
•
le cordon rouge est relié à la borne du multimètre marquée généralement " + "
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2.3 Mesure de tensions
Pour mesurer une tension avec un multimètre, il faut :
• selon le type de tension à mesurer (continue ou alternative), sélectionner sur l'appareil la fonction
'Tension continue' repérée généralement par " V= " ou la fonction 'Tension alternative' repérée
généralement par " V~ "
• sélectionner le calibre le mieux adapté à la tension à mesurer
• brancher les cordons entre les 2 points de mesure et lire la valeur indiquée
Remarques importantes :
a) Sens de branchement :
• si on mesure une tension alternative, le sens de branchement des cordons n'a pas
d'importance.
• si on mesure une tension continue, le sens de branchement des cordons a une importance sur le
résultat affiché :
-
avec un multimètre numérique : si les cordons sont branchés "dans le bon sens" (ex. le
rouge sur le "+" d'une batterie, le noir sur le "-"), la valeur affichée est lue directement
(ex. 12 V) ; s'ils sont branchés "à l'envers", la valeur affichée est précédée d'un signe "-"
(ex. -12 V) : on peut éventuellement inverser le sens de branchement pour retrouver une
lecture directe.
-
avec un multimètre à aiguille : si les cordons sont branchés "dans le bon sens", l'aiguille
dévie dans le bon sens et on lit directement sur le cadran la valeur mesurée ; s'ils sont
branchés "à l'envers", l'aiguille dévie dans le mauvais sens et la lecture est impossible : il
faut donc obligatoirement inverser le sens des cordons pour pouvoir effectuer la mesure.
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b) Choix du calibre adapté :
- avec la plupart des multimètres numériques récents : l'appareil sélectionne lui-même
automatiquement le calibre le mieux adapté à la mesure et la lecture de la valeur mesurée
est directe.
- avec des multimètres numériques plus anciens ou les appareils à aiguille : il faut choisir
un calibre parmi plusieurs calibres proposés (ex. 3V - 30V - 300V - 1000V). Par exemple,
pour mesurer une tension dont on sait qu'elle est de l'ordre de 24V, on choisit le calibre
"30V" ; par contre, si on ne connaît pas (ou si on connaît mal) la tension à mesurer, on
choisira le calibre le plus élevé puis on descendra dans les calibres inférieurs jusqu'à avoir
une lecture correcte (pour les appareils à aiguille, on cherche à obtenir la plus grande
déviation possible de l'aiguille).
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3. Courant - Mesure de courant
3.1 Ampère : sous-multiples usuels
Que le courant soit alternatif ou continu, l'unité de mesure de courant est l'ampère (symbole : A), mais
on utilise aussi couramment des sous-multiples, et particulièrement :
-
le milliampère (symbole : mA) qui vaut un millième d'ampère (ex. un radiateur électrique consomme
un courant de 12 A - une alarme de voiture consomme 10 mA en veille).
le microampère (symbole : µA) qui vaut un millionième d'ampère, couramment utilisé en
électronique (ex. une montre à affichage numérique consomme 12 µA).
3.2 Mesure de courant sans ouverture du circuit : utilisation de la pince ampèremétrique
Industriellement, la mesure de courant (continu ou alternatif), s'effectue à l'aide d'une pince
ampèremétrique.
Cet appareil permet de faire la mesure sans ouvrir le circuit et ne nécessite pas de cordons de mesure ;
il suffit d'ouvrir la pince et de la refermer autour du conducteur dans lequel on veut mesurer le courant :
- soit la pince est autonome et elle affiche directement la valeur du courant (valeur ou aiguille),
- soit la pince est à relier, à l'aide de cordons, à un multimètre qui affichera la valeur du courant.
ATTENTION : la pince ne doit pas entourer plusieurs conducteurs (ex. câble) ; elle doit
entourer seulement le conducteur dans lequel on veut mesurer le courant.
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3.3 Mesure de courant avec ouverture du circuit : utilisation de l'ampèremètre
Contrairement au voltmètre que l’on branche en parallèle, on peut mesurer un courant électrique
en insérant un ampèremètre "en série" dans le circuit.
Remarque : cette mesure est compliquée car, outre le fait d'ouvrir le circuit pour y insérer
l'ampèremètre, elle nécessite de prendre des précautions importantes pour la sécurité du
manipulateur et du matériel. Aussi, on évite autant que possible ce type de mesure.
Etapes de branchement/débranchement de l'ampèremètre :
-
mettre le circuit hors tension (couper le disjoncteur, débrancher la prise d'alimentation…)
ouvrir le circuit (débrancher un fil, une cosse…)
insérer l'ampèremètre au niveau de la coupure du circuit (comme pour le voltmètre, ATTENTION
au sens de branchement, au choix de la fonction et du calibre)
remettre le circuit sous tension et lire l'intensité indiquée
remettre le circuit hors tension puis débrancher l'ampèremètre
refermer le circuit puis le remettre sous tension
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4. Courants et tensions dans un circuit parallèle et un circuit série
4.1 Circuit parallèle
K
I
I1
G
V
I2
Rec1
V1
Rec2
V2
Dans le circuit parallèle ci-dessus, les tensions et les courants sont symbolisés par des flèches :
- V est la tension aux bornes du générateur
- V1 et V2 sont les tensions respectives aux bornes des récepteurs Rec1 et Rec2
- I est le courant fourni par le générateur
- I1 et I2 sont les courants respectifs traversant Rec1 et Rec2
Si on mesure les tensions et courants dans ce circuit, on constate que : V1=V2=V et
I1+I2=I
CONCLUSION
Dans un circuit parallèle :
• la tension aux bornes de chaque branche est égale à la tension du générateur
• le courant fourni par le générateur est égal à la somme des courants circulant
dans chaque branche
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Quelques remarques importantes :
Si on ouvre l'interrupteur K :
- le courant ne peut plus circuler dans les récepteurs : I1=I2 = 0 et donc I= 0
- le circuit étant ouvert, il n'y a pas de tension aux bornes des récepteurs, donc V1=V2= 0
…mais la tension aux bornes du générateur est toujours égale à V !
Exemple du secteur EDF
La tension aux bornes d'une prise de courant est toujours 230V, même lorsque la prise
n'alimente aucun appareil électrique (elle ne fournit alors aucun courant)
Si on branche un (des) appareil(s) sur cette prise, alors elle fournit à ces appareils, sous
230V, le courant nécessaire à leur fonctionnement.
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4.2 Circuit série
K
I
I1
Rec1
I2
G
V
V1
Rec2
V2
Ce type de branchement est assez rare en électricité industrielle, mais on le rencontre couramment en
électronique.
Si on mesure les tensions et courants dans ce circuit, on constate que : I=I1=I2 et V1+V2=V
CONCLUSION
Dans un circuit série :
• le courant circulant dans un circuit série a la même valeur en tout point du circuit
• la somme des tension aux bornes de chaque récepteur est égale à la tension du
générateur
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5. Puissance
5.1 Watt : mutiples et sous-multiple usuels
L'unité de mesure de puissance est le watt (symbole : W), mais on utilise aussi ses multiples et sousmultiples, et particulièrement :
-
-
-
le kilowatt (symbole : kW), qui vaut 1000 W, pour exprimer des valeurs de puissance élevées
(ex. 3 kW pour la puissance d'un radiateur électrique, 80 kW pour la puissance d'un broyeur
industriel)
le mégawatt (symbole : MW), qui vaut un million de watts, et le gigawatt (symbole : GW), qui vaut
un milliard de watts, pour exprimer les énormes puissances fournies par les centrales de
production d'électricité (ex. 900 MW pour la puissance d'une unité de centrale nucléaire, 120 GW
pour la puissance installée de EDF en 2003).
le milliwatt (symbole : mW), qui vaut un millième de watts, utilisé couramment en électronique,
pour exprimer de faibles puissances (ex. 20 mW pour la puissance de sortie d'un microphone).
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5.2 Puissance - Relation avec la tension et le courant
En électricité, comme dans toutes les autres technologies (mécanique, chimie…), quand deux systèmes
font le même travail, le plus puissant est celui qui fait ce travail dans le temps le plus court.
Exemple : le moteur électrique d'une grue qui élève de 10 mètres une dalle en 30 s est plus puissant que
celui de la grue voisine qui élève de 10 mètres la même dalle, mais en 45 s.
5.2.1 Lien entre la puissance, la tension et le courant
Il y a un lien entre la puissance d'un appareil électrique, le courant qui le traverse (qu'il consomme
si c'est un récepteur, qu'il fournit si c'est un générateur) et la tension à ses bornes.
Si on compare deux appareils électriques :
•
s'ils ont la même tension à leurs bornes : le plus puissant consomme (ou fournit)
un courant plus important
•
s'ils consomment (ou fournissent) le même courant : le plus puissant est celui qui
a la tension la plus élevée à ses bornes
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Remarque importante :
La puissance indiquée sur la plaque signalétique de la plupart des appareils électriques est la
puissance 'nominale', c'est-à-dire la puissance "normale" mise en jeu par cet appareil en
fonctionnement ‘standard’ préconisé par le constructeur. Si le travail demandé est variable, la
puissance mise en jeu évolue comme le travail.
Par exemple, pour une perceuse électrique de puissance nominale 600W, la puissance mise en jeu
sera, selon le travail à effectuer (type de matériau, diamètre du foret…) :
- 15W si elle tourne à vide
- 200W si elle perce une cloison en plâtre
- 500W si elle perce de l'acier
5.2.2 Mesure de la puissance
La puissance se mesure à l'aide d'un appareil spécifique, le wattmètre. Cette fonction n'est pas
proposée par les multimètres.
C'est une mesure qui est difficile à mettre en œuvre, et qui n'est généralement pas indispensable à
l'électricien.
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6. Energie
6.1 Joule, kilowattheure : multiples et sous-multiple usuels
L'unité normalisée d'énergie est le joule (symbole : J), mais en électricité, on lui préfère généralement
le kilowattheure (symbole : kWh), dont on utilise aussi les multiples et sous-multiples, et
particulièrement :
-
-
le wattheure (symbole : Wh), qui vaut un millième de kWh, pour exprimer de faibles valeurs
d'énergie. Le Wh est peu utilisé : on préfère parler en fraction de kWh (ex. en une heure, une
lampe a consommé 0,1 kWh)
le mégawattheure (symbole : MWh), qui vaut 1000 kWh, le gigawattheure (symbole : GWh) qui
vaut un million de kWh et le térawattheure (symbole : TWh) , pour exprimer les énormes
énergies fournies par les centrales de production d'électricité (ex. près de 500 TWh fournis
par EDF en 2002).
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6.2 Energie - Relation avec la puissance et le temps
En électricité, comme dans toutes les autres technologies (mécanique, chimie…), quand un système
fournit un travail, il consomme (récepteur) ou il fournit (générateur) de l'énergie.
Exemple : un radiateur électrique consomme de l'énergie électrique que lui fournit le réseau EDF.
Ce système électrique consomme d'autant plus d'énergie qu'il fonctionne longtemps et que sa puissance
est importante. Par exemple :
- un radiateur électrique fonctionnant pendant 2 heures consomme 2 fois plus d'énergie que s'il
fonctionne pendant 1 heure.
- un radiateur électrique de 3 kW de puissance consomme dans le même temps 3 fois plus d'énergie
qu'un radiateur de 1kW de puissance.
C'est cette énergie, mesurée par le compteur électrique, que facture EDF.