V ersion p our l`enseignement

Version pour l’enseignement
Licence L1 – Domaine Sciences, Technologie, Santé
Année 2016/2017 – 1er semestre
TECHNIQUES EXPÉRIMENTALES
Document de référence
Utiliser un multimètre
Éléments d’histoire des instruments
Jusqu’à l’invention de la pile électrique 1par VOLTA 2le 17 mars 1800, il n’était pas pos-
sible de produire des courants continus, c’est-à-dire stables dans le temps. Jusqu’à cette date,
la production de l’électricité se faisait de manière transitoire, en chargeant des objets par des
machines électrostatiques, puis en les déchargeant rapidement.
Suite à cette invention, s’il était admis que l’électricité s’écoulait comme un fluide (d’où la
notion de « courant ») il restait un problème de taille : comment quantifier les grandeurs élec-
triques ? Une découverte faite par ŒRSTED, physicien danois permit de résoudre cette ques-
tion. Lors d’un cours sur l’électricité qu’il faisait à ses étudiants, il observa que si l’on dispose, à
côté d’une boussole, un fil métallique relié à une pile et donc traversé par un courant, l’aiguille
change de direction. Ses résultats publiés 3en juillet 1820 eurent un grand retentissement, car
on pouvait désormais observer et donc espérer quantifier le courant électrique.
Seulement deux mois plus tard Johann SCHWEIGGER créa le premier ampèremètre 4à Halle 5.
De manière indépendante mais quelques semaines plus tard, André-Marie AMPÈRE 6en France
contribua au développement d’un instrument similaire. Ce dernier distingua pour la première
1. La pile voltaïque est constituée d’un empilement de couples de disques zinc/cuivre en contact direct, chaque
couple étant séparé du suivant par un morceau de tissu imbibé d’eau salée. Une vidéo sur internet explicite son
fonctionnement : http://goo.gl/d4cex6.
2. Alessandro VOLTA (1745–18274) est un physicien de langue italienne, né et mort à Côme, non seulement à
l’origine de la pile électrique mais aussi découvreur du méthane.
3. Hans Christian ŒRSTED,Experimenta circa effectum conflictus electrici in acum magneticam, traduit et publié
en France par François ARAGO sous le titre « Expériences sur l’effet du conflit électrique sur l’aiguille aimantée» dans
les Annales de chimie et de physique, vol. 14, p. 417-425 (Paris, Crochard, 1820). Le texte intégral est accessible en
ligne à l’adresse suivante : http://goo.gl/IG5cT.
4. L’instrument ne portait pas ce nom au moment de sa création. Il fut d’abord appelé multiplicateur électro-
magnétique, puis galvanomètre, en honneur du physicien italien GALVANI qui découvrit en 1771 que le courant
électrique pouvait faire s’agiter la patte d’une grenouille.
5. Ville de Saxe-Anhalt, aujourd’hui en Allemagne.
6. Ce physicien et mathématicien français est né en 1775 et mort en 1836. Son nom est resté populaire par son
étourderie qui était devenue proverbiale. C’est à son cours de l’école Polytechnique, au milieu des élèves, que ses
distractions éclataient dans toute leur singularité. Quand il avait achevé une démonstration sur le tableau, il ne
manquait presque jamais d’essuyer les chiffres avec son foulard, et de mettre dans sa poche le torchon traditionnel ;
toutefois, bien entendu, après s’en être préalablement servi ! Cette anecdote est tirée de l’article AMPÈRE du Grand
dictionnaire universel du XIXesiècle de Pierre LAROUSSE (Paris, Librairie Classique Larousse et Boyer, 1870).

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fois la « tension électrique » du « courant électrique », dont il explique mathématiquement la
mesure.
Pour ce qui est de la création du voltmètre en tant que tel, elle est plus tardive. Car les volt-
mètres analogiques ne sont en fait rien d’autre que des ampèremètres reliés en série à une ré-
sistance calibrée : la mesure du (petit) courant qui traverse cette dernière permet d’en déduire,
grâce à la loi d’OHM 7, la tension à ses bornes.
Utilisation du voltmètre et ampèremètre dans un circuit
Voltmètre
Un voltmètre mesure la tension entre deux points d’un circuit, en le connectant simplement
à ces deux points. On l’oriente de façon à ce que sa borne COM soit le point de référence de la
différence de potentiel mesurée.
+
E
R1
R2
+
UAB
A
B
+
E
R1
R2V
+
UAB
A
BCOM
FIGURE 1 – Pour mesurer la tension UAB aux bornes du résistor R2, il faut positionner
le voltmètre comme indiqué sur la figure, la borne COM reliée au point B.
Attention ! la présence d’un voltmètre modifie le circuit. Comme tout instrument de me-
sure, sa présence perturbe la mesure. En effet, d’un point de vue électrique il se comporte
comme une grande résistance ohmique. Pour les voltmètres numériques dont on dispose, cette
résistance vaut environ 10 MΩ.
V
COM ⇔R'10MΩ
FIGURE 2 – D’un point de vue électrique, le voltmètre est identique à une résistance R
(valant 10 MΩpour les voltmètres dont on dispose usuellement).
Comme c’est une grande valeur par rapport aux résistances utilisées habituellement dans
les circuits, on peut la plupart du temps la considérer comme infinie. Aussi fait-on usuelle-
ment l’approximation qu’aucun courant ne circule dans un voltmètre. On le qualifie alors de
voltmètre idéal 8.
Si cette approximation ne tient pas, notamment parce que les résistances présentes dans
le circuit ne seraient pas très inférieures à 10 MΩ, alors il faut tenir compte de la présence du
voltmètre et faire des calculs pour corriger sa lecture.
7. Georg OHM (1789–1854) était un physicien et mathématicien bavarois. Son œuvre majeure de 1827 sur la
résistance électrique, Die galvanische Kette : mathematisch bearbeitet a mis plus d’une décennie à être comprise et
adoptée. Pour lire sur Gallica sa traduction française, aller à l’adresse http://goo.gl/429eBT.
8. On parle aussi de voltmètre parfait.
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Ampèremètre
Un ampèremètre permet de mesurer le courant traversant la branche d’un circuit. Il faut
l’interposer sur la branche pour effectuer la mesure. On l’oriente de façon à ce la valeur lue, si
elle est positive, corresponde à un courant sortant par la borne COM.
+
E
I
R+ E
IA
R
COM
FIGURE 3 – Pour mesurer le courant icirculant dans une branche d’un circuit, il faut y
introduire un ampèremètre.
Attention ! la présence d’un ampèremètre modifie aussi le circuit. En effet, d’un point de
vue électrique un ampèremètre se comporte comme une petite résistance ohmique. Pour les
ampèremètres numériques dont on dispose cette résistance est de l’ordre 9de quelques Ohms.
A
COM ⇔R'qq Ω
FIGURE 4 – D’un point de vue électrique, l’ampèremètre est identique à une résistance
R(de l’ordre de quelques Ωpour les ampèremètres dont on dispose).
Contrairement au cas du voltmètre, il est souvent plus difficile de négliger la résistance de
l’ampèremètre dans le circuit. En effet, si on travaille avec un circuit dans lequel se trouvent des
résistances de l’ordre de 100 Ω, elles sont comparables à la résistance de l’ampèremètre.
Considérer un ampèremètre comme idéal 10, c’est supposer que sa résistance équivalente
est nulle. C’est donc souvent un abus.
Courte et longue dérivation
Pour mesurer simultanément la tension au bornes d’un dipôle et l’intensité le traversant, il
y a deux dispositions possibles de l’ampèremètre et du voltmètre. Si le voltmètre est branché
aux bornes du dipôle, on parle de « courte dérivation ». Si le voltmètre est branché aux bornes
de l’ensemble dipôle et ampèremètre, on parle de « longue dérivation ».
Parce qu’on suppose le voltmètre idéal, il est préférable d’utiliser le montage en courte dé-
rivation. Avec ce montage, même si l’ampèremètre n’est pas parfait, on peut mesurer précisé-
ment les propriétés du dipôle étudié.
Mode d’emploi des appareils disponibles
L’alimentation stabilisée
Pour produire une tension ou un courant continu, on utilise une alimentation stabilisée,
qui permet de délivrer, au choix, soit un courant constant, soit une tension constante.
9. En réalité, cette résistance dépend assez fortement du calibre choisi de l’ampèremètre.
10. On parle aussi d’ampèremètre parfait.
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A
I
R
V
+
U
COM
COM
A
I
RV
+
U
COM
COM
FIGURE 5 – Montage en longue dérivation (à gauche) et courte dérivation (à droite).
On se servira exclusivement du montage en courte dérivation, car il fonctionne mieux
dans la gamme des mesures effectuées ce semestre en TP.
Le fonctionnement de l’alimentation stabilisée a été étudié lors du TP 3 ; se reporter à vos
notes de cette séance pour de plus amples informations. Toutefois, deux points importants
doivent retenir votre attention :
– pour utiliser l’alimentation en source de tension, il faut d’abord régler la tension à zéro,
puis régler le courant au maximum ; ensuite seulement peut-on régler la tension, délica-
tement et avec précaution ;
– le courant qui sort par la borne +est toujours égal au courant qui entre par la borne −;
ce courant est affiché sur l’alimentation stabilisée.
Les multimètres
Un multimètre est un appareil de mesure électrique qui remplit plusieurs fonctions. Nous
nous en servirons soit comme d’un voltmètre, soit comme d’un ampèremètre soit comme d’un
ohmmètre. Pour utiliser un multimètre en voltmètre ou ampèremètre ou en ohmmètre, il faut
d’abord choisir :
1. le mode de fonctionnement : soit une mesure d’une tension (V) ou d’un courant (A) ou
d’une résistance (Ω) ;
2. le réglage continu ou alternatif : pour mesurer une grandeur continue (ce qui sera tou-
jours le cas ce semestre), on choisit ; pour une grandeur alternative (cas où le courant et
la tension oscillent au cours du temps), on choisit ∼;
3. le calibre.Ce réglage est crucial. Le calibre est la valeur maximale de tension ou courant
ou résistance que le multimètre peut accepter, sans être endommagé 11.Si vous appli-
quez au multimètre une tension ou un courant supérieur au calibre, vous endommagerez
probablement le multimètre. Il faut donc, par prudence, toujours utiliser le calibre le plus
grand, voir combien vaut le courant ou la tension, puis le cas échéant diminuer le calibre,
afin d’obtenir une lecture avec la meilleure précision possible.
11. Ce qu’il risque de se produire, c’est de faire claquer le fusible de protection à l’intérieur du multimètre. Son
coût n’est pas négligeable, et il faut le changer en ouvrant le multimètre, ce qui prend un certain temps.
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FIGURE 6 – Multimètre disponible en séance de travaux pratiques.
Une fois ces réglages effectués, il faut insérer le multimètre dans le circuit pour une mesure
de tension ou de courant :
1. Dans le cas d’une mesure de tension, entre la borne rouge V et la borne noire COM; la
convention est que si le potentiel sur la borne rouge est plus grand que sur la borne noire,
l’affichage est positif.
2. Dans le cas d’une mesure de courant :
– entre la borne rouge 10 A et la borne noire COM, pour le réglage initial de l’ampère-
mètre (cf. réglage du calibre) ; par convention, si le courant circule de la borne rouge
vers la borne noire, l’intensité affichée est positive ;
– une fois que l’on a vérifié que le courant était adapté au calibre, si ce calibre est
différent de 10 A, il faut brancher le multimètre entre la borne rouge Ω/mA et la
borne noire COM; la convention précédente s’applique encore.
3. Dans le cas d’une mesure de résistance d’un dipôle, il faut avant tout retirer le dipôle
du circuit 12. Ensuite directement relier le dipôle entre la borne rouge Ω/mA et la borne
noire COM.
12. En toute rigueur il faut aussi s’assurer que ce dipôle est passif, c’est-à-dire qu’il n’inclut pas de sources éle-
criques.
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