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 s'arrête là : l'eau peut se répandre par terre, pas les charges d'un circuit, qui restent toujours dans les fils.

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 ce geste : si tu as dû débrancher un fil, tu mesures une intensité ; si tu n'as rien débranché, tu mesures une tension.

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. Le fusible de l'appareil fond, ou la pile chauffe. C'est l'erreur à ne jamais commettre.

Le circuit ouvert : l'intensité est nulle, la tension ne l'est pas. Ouvre l'interrupteur : plus aucun courant ne circule, donc $I = 0$ A partout dans le circuit. 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 mesurer $I$ et $U$. Tu ne sais pas encore comment elles se répartissent entre plusieurs dipôles d'un même circuit : c'est l'objet de la leçon suivante, Lois des circuits : série et dérivation, puis de la loi d'Ohm, qui relie enfin les deux grandeurs l'une à l'autre.

Un binôme monte un circuit en série : une pile plate de 4,5 V, une lampe, un moteur et un interrupteur. 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. Le fusible de l'appareil fond, ou la pile s'échauffe très vite. 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 a la sienne, différente. 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.

Figure (fig.physics.current-voltage, SVG programmatique à produire) : deux panneaux côte à côte, dans la teinte physique de la charte, sur des schémas normalisés (symboles conventionnels, fils à angles droits).

• Panneau 1 — le bon branchement. Un circuit rectangulaire en série : symbole de la pile (deux traits inégaux), une lampe (cercle barré d'une croix), un interrupteur fermé. Un ampèremètre (cercle contenant la lettre A) est inséré dans le fil, entre la pile et la lampe : le fil entre dans l'appareil et en ressort, la boucle passe par lui. Il affiche « $I = 0{,}180$ A ». Un voltmètre (cercle contenant la lettre V) est dessiné à l'écart de la boucle, relié par deux fils courts aux deux bornes de la lampe ; il affiche « $U_{\text{lampe}} = 2{,}8$ V ». Une flèche fléchant le sens conventionnel du courant part de la borne + de la pile et fait le tour de la boucle. Sous le panneau : « l'ampèremètre est dans le circuit — le voltmètre est à côté du dipôle ».
• Panneau 2 — le circuit ouvert. Le même circuit, interrupteur ouvert (le trait de l'interrupteur est relevé, la boucle est coupée). L'ampèremètre affiche « $I = 0$ A ». Un voltmètre déplacé aux bornes de la pile affiche « $U = 4{,}5$ V », entouré d'un cadre en trait plein. Sous le panneau : « intensité nulle, tension non nulle ».
• Bandeau du bas, commun aux deux panneaux : une flèche horizontale légendée « traverse : intensité, en ampères » et, au-dessous, un segment à deux extrémités marquées d'un point, légendé « entre deux points : tension, en volts ».

Ce qu'il faut lire. Sur le panneau 1, suis la boucle avec le doigt : elle passe à travers l'ampèremètre, jamais à travers le voltmètre. Si tu supprimais le voltmètre du dessin, le circuit fonctionnerait exactement pareil ; si tu supprimais l'ampèremètre, le circuit serait coupé. C'est la différence entre « en série » et « en dérivation », visible sans aucun calcul. Le panneau 2 dit le reste : couper la boucle annule l'intensité, pas la tension de la pile.

La figure en détail : deux panneaux. Le premier montre un circuit fermé en forme de rectangle comprenant une pile, une lampe et un interrupteur fermé ; un ampèremètre est inséré dans le fil entre la pile et la lampe, le courant le traverse, il indique 0,180 ampère ; un voltmètre est placé en dehors de la boucle et relié par deux fils aux deux bornes de la lampe, il indique 2,8 volts ; une flèche indique le sens conventionnel du courant, de la borne plus de la pile vers l'extérieur du circuit. Le deuxième panneau montre le même circuit avec l'interrupteur ouvert : l'ampèremètre indique zéro ampère, tandis qu'un voltmètre branché aux bornes de la pile indique toujours 4,5 volts. Un bandeau final oppose une flèche légendée « traverse : intensité, en ampères » et un segment entre deux points légendé « entre deux points : tension, en volts ».

Cette leçon ne demande aucune formule à mémoriser : elle demande de savoir quelle grandeur porte quel nom, quelle unité, quel appareil et quel branchement. C'est ce tableau qu'il faut connaître par cœur.

Conversions indispensables. $1\ \text{A} = 1000\ \text{mA}$ ; $1\ \text{mA} = 0{,}001\ \text{A}$ ; $1\ \text{V} = 1000\ \text{mV}$. Exemples : $0{,}250\ \text{A} = 250\ \text{mA}$ ; $75\ \text{mA} = 0{,}075\ \text{A}$ ; $1{,}5\ \text{V} = 1500\ \text{mV}$.

Notation des tensions. On écrit $U_{\text{lampe}}$ la tension aux bornes de la lampe, $U_G$ celle aux bornes du générateur. Sur un schéma, une tension se représente par une flèche placée à côté du dipôle, pointant vers l'une de ses bornes — jamais par une flèche dessinée sur le fil, qui est réservée au courant.

Pour comprendre seulement, et c'est une relation donnée. L'intensité est le débit de charge : $I = \dfrac{Q}{\Delta t}$, où $Q$ est la charge qui traverse une section du circuit pendant la durée $\Delta t$. Avec $Q$ en coulombs (C) et $\Delta t$ en secondes, $I$ est en ampères — un ampère, c'est un coulomb par seconde. Le coulomb et cette relation ne sont pas au programme du collège : ils sont ici pour que tu voies d'où vient le mot « débit », pas pour être appris.

Domaine de validité. Rien de tout ceci ne dépend du type de circuit : intensité et tension se définissent et se mesurent de la même façon en série, en dérivation, avec une pile ou un générateur de laboratoire. Ce sont les lois qui relient ces mesures entre elles qui dépendent du montage — leçon suivante.

1. Brancher le voltmètre en série, ou l'ampèremètre en dérivation. C'est l'erreur numéro un du chapitre. Le test infaillible : pour insérer un ampèremètre, tu es obligé de débrancher un fil ; pour poser un voltmètre, tu ne débranches rien. Si ton geste ne correspond pas à ton appareil, tu te trompes de montage. Et un ampèremètre branché en dérivation sur un générateur, c'est un court-circuit : fusible fondu, pile qui chauffe.
2. Croire qu'une tension n'existe que si le courant circule. Faux. Interrupteur ouvert, l'intensité est nulle partout, mais la pile impose toujours sa tension entre ses bornes — une pile neuve isolée dans un tiroir a bien 4,5 V à ses bornes. C'est la tension qui cause le courant, pas l'inverse.
3. Confondre l'ampère et le volt. L'ampère mesure une intensité, le volt une tension. « Une lampe alimentée sous 300 mA » ou « un courant de 4,5 V » sont des phrases sans le moindre sens. Le nom de l'appareil t'aide : l'ampèremètre donne des ampères, le voltmètre des volts.
4. Dire « la tension qui traverse la lampe ». Une tension ne traverse rien : elle est aux bornes d'un dipôle. Symétriquement, « l'intensité aux bornes de la lampe » n'existe pas : une intensité traverse.
5. Oublier la conversion mA → A. $150$ mA valent $0{,}150$ A, pas 150 A ni 1,50 A. Cette conversion resurgira dans tous les calculs des deux leçons suivantes ; l'oublier fait des résultats mille fois trop grands.
6. Croire que le courant « s'use » en traversant les dipôles. Il ne s'use pas et ne se consomme pas : ce qui est transféré aux dipôles, c'est de l'énergie, pas du courant. La suite le démontre.
7. Lire le multimètre sans regarder son réglage. Le même affichage « 180 » vaut 180 mA ou 0,180 A selon la position choisie. Note toujours l'unité affichée en même temps que le nombre.
8. Mesurer une tension « en un point ». Une tension se mesure toujours entre deux points. Demander « la tension au point A » n'a pas de sens tant qu'on n'a pas dit « par rapport à quel autre point ».

Exercice type. L'exercice est un QCM à quatre propositions, sur des circuits décrits en toutes lettres. Trois familles de questions y sont tirées : (a) quel appareil et quel branchement pour mesurer une grandeur donnée — les trois autres propositions sont les trois autres combinaisons appareil × branchement ; (b) interrupteur ouvert, que vaut la tension aux bornes de la pile ; (c) en quelle unité s'exprime la grandeur mesurée. Les trois familles reprennent, une par une, les trois erreurs les plus fréquentes du chapitre.

Énoncé. Un circuit en série relie une pile et une lampe, un moteur et une résistance. Les dipôles y forment une seule boucle : le courant sort de la pile, traverse successivement chaque dipôle, puis revient à la pile. On veut mesurer la tension aux bornes du moteur. Quel appareil faut-il utiliser, et comment le brancher ?

Correction complète.

Étape 1 — identifier la grandeur. L'énoncé parle de la tension aux bornes du moteur. Ce n'est pas une intensité : le mot « aux bornes » le confirme, puisqu'une tension se mesure entre deux points.

Étape 2 — choisir l'appareil. Une tension se mesure avec un voltmètre, qui affichera des volts. Les propositions A et C, qui proposent un ampèremètre, sont donc éliminées : un ampèremètre mesure une intensité, en ampères.

Étape 3 — choisir le branchement. Le voltmètre doit comparer les deux bornes du moteur : on le branche en dérivation, un fil sur chaque borne, sans rien débrancher. La proposition B, qui le met en série, est fausse : en série, le voltmètre se comporterait comme une coupure et le circuit ne fonctionnerait plus.

Étape 4 — conclure. La bonne réponse est la D : un voltmètre, branché en dérivation aux bornes du moteur.

Étape 5 — vérifier autrement. Pose-toi la question du geste : pour effectuer cette mesure, dois-tu débrancher un fil du circuit ? Non — tu poses simplement deux pointes de touche sur les bornes du moteur, circuit en marche. Un geste sans débranchement, c'est un voltmètre en dérivation. Si la question avait porté sur l'intensité traversant le moteur, il aurait fallu ouvrir le circuit et insérer un ampèremètre en série : c'était la proposition A.

Auto-contrôle en deux gestes. Le mot de l'énoncé d'abord — « aux bornes » appelle un voltmètre, « qui traverse » appelle un ampèremètre. L'unité ensuite : si ta réponse conduit à afficher des ampères pour une question qui parle de volts, reprends tout depuis l'étape 1.