Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à utiliser un voltmètre pour mesurer la différence de potentiel aux bornes d’un composant dans un circuit électrique.
Rappelons que lorsqu’il existe une différence de potentiel entre deux points, cette différence exerce une force sur les charges, ce qui entraîne une circulation des charges entre ces deux points.
C’est pourquoi la différence de potentiel électrique est toujours mesurée entre deux points. Rappelons que la circulation de charges correspond au courant électrique.
Nous pouvons mesurer la différence de potentiel électrique aux bornes d’un composant en utilisant un appareil appelé voltmètre.
L’unité de la différence de potentiel est le volt, dont le symbole est V. Une différence de potentiel de 1 volt, ou 1 V, est équivalente à une énergie de 1 joule déplaçant une charge de 1 coulomb.
Donc 1 volt correspond à 1 joule par coulomb.
Le symbole électrique du voltmètre est un cercle avec la lettre V au milieu. Il est représenté sur la figure ci-dessous.
Exemple 1: Déterminer le nombre de voltmètres dans un circuit
La figure représente un circuit électrique. Combien y a-t-il de voltmètres dans ce circuit ?
Réponse
Le symbole utilisé pour le voltmètre est un cercle avec la lettre V au milieu. Il est représenté sur la figure ci-dessous.
Nous pouvons voir deux de ces symboles sur le schéma du circuit électrique donné ; il y a donc deux voltmètres dans le circuit.
D’autres symboles sont représentés dans ce circuit. Leurs significations sont données ci-dessous.
Exemple 2: Décrire la fonction d’un voltmètre
Quelle est la quantité mesurée par un voltmètre ?
Réponse
Dans cette question, on nous demande de décrire brièvement la quantité mesurée par un voltmètre. Il s’agit de faire une description claire et simple. Il ne faut pas utiliser plus de mots que nécessaires.
Voici un exemple de réponse :
Considérons le circuit représenté sur le schéma ci-dessous.
Ce circuit est constitué d’une ampoule reliée à un générateur par deux fils. Le générateur produit une différence de potentiel.
Les charges sortent de l’une des bornes du générateur, passent dans un fil, à travers l’ampoule, dans l’autre fil et arrivent finalement à l’autre borne du générateur. C’est le seul chemin possible pour les charges dans ce circuit.
Cela est représenté dans le schéma ci-dessous. Les charges circulent le long du fil 1 vers l’ampoule.
L’ampoule utilise ce courant pour remplir sa fonction. Elle émet de la lumière. Il y aura donc une différence de potentiel entre le fil 1 et le fil 2. Il s’agit de la différence de potentiel aux bornes de l’ampoule.
On peut aussi expliquer cela en disant qu’une différence de potentiel est nécessaire pour faire circuler les charges à travers l’ampoule.
Afin de mesurer cette différence de potentiel à l’aide d’un voltmètre, le voltmètre doit être relié au circuit d’une manière particulière.
L’une des extrémités du voltmètre doit être reliée à la partie du circuit située avant l’ampoule, c’est-à-dire sur le fil 1.
L’autre extrémité du voltmètre doit être reliée au fil 2, c’est-à-dire à la partie du circuit située après l’ampoule.
Rappelons que la différence de potentiel est mesurée entre deux points ; c’est la différence de potentiel entre ces deux points. Comme nous cherchons à mesurer la différence de potentiel aux bornes de l’ampoule, nous devons mesurer la différence de potentiel causée uniquement par l’ampoule.
Le montage est représenté sur le schéma ci-dessous.
Ce montage permet au voltmètre de déterminer la différence de potentiel aux bornes de l’ampoule.
Les charges qui circulent le long du fil auront maintenant deux chemins possibles : soit à travers l’ampoule, soit à travers le voltmètre.
Ces deux chemins sont représentés ci-dessous.
Le chemin A est l’un des chemins possibles pour les charges. Les charges partent de la borne gauche du générateur, circulent le long du fil bleu pour atteindre le point de jonction avec le voltmètre. Les charges circulent ensuite le long de la ligne verte, à travers l’ampoule, puis le long de la ligne bleue jusqu’à la borne droite du générateur.
Le chemin B est un autre chemin possible. Les charges partent également de la borne gauche du générateur et circulent le long du fil bleu. Au point de jonction avec le voltmètre, elles passent le long du fil rouge, à travers le voltmètre. Elles circulent ensuite vers la borne droite du générateur, le long du fil bleu.
Lorsque des composants sont situés sur deux chemins différents comme ici, on dit qu’ils sont connectés en parallèle.
Donc, pour mesurer la différence de potentiel aux bornes d’un composant, un voltmètre doit être connecté en parallèle.
Plus précisément, si un chemin allant d’une borne à l’autre d’un générateur passe par deux composants sans aucune ramification, alors ces deux composants se trouvent sur ce même chemin.
Mais si le courant doit se séparer en deux pour passer à travers les deux composants, alors les composants se trouvent sur des chemins différents.
Considérons maintenant le circuit ci-dessous.
Dans ce circuit, le voltmètre et l’ampoule sont situés sur le même chemin. Il n’existe qu’un seul chemin pour la circulation des charges.
Le voltmètre ne mesure plus la différence de potentiel aux bornes de l’ampoule. En effet, le voltmètre est connecté uniquement à la partie du circuit situé avant le composant.
Lorsqu’il n’existe qu’un seul chemin possible entre deux composants comme ici, ont dit que ces composants sont connectés en série. Cela est représenté sur le schéma ci-dessous.
Le seul chemin possible pour les charges est représenté par la flèche bleue. Les charges partent de l’une des bornes du générateur, passent à travers le voltmètre, à travers l’ampoule puis rejoignent l’autre borne.
Un voltmètre ne peut pas mesurer la différence de potentiel d’un composant s’il est connecté en série.
Le schéma ci-dessous représente un autre emplacement pour le voltmètre.
Il n’y a aussi qu’un seul chemin pour la circulation des charges dans le circuit représenté ci-dessous.
Cette fois-ci, les charges partent du générateur, traversent d’abord l’ampoule puis le voltmètre. Dans ce montage, le voltmètre est toujours connecté en série avec l’ampoule.
Le voltmètre ne peut donc pas mesurer la différence de potentiel aux bornes de l’ampoule.
Exemple 3: Identifier si le branchement d’un voltmètre est correct
Chacun des schémas suivants représente un circuit contenant un générateur, une ampoule et un voltmètre. Quel schéma représente le montage correct permettant de mesurer la différence de potentiel aux bornes de l’ampoule à l’aide du voltmètre ?
Réponse
Rappelons que pour qu’un voltmètre puisse mesurer la différence de potentiel aux bornes d’un composant, il doit être connecté en parallèle avec celui-ci.
Il doit donc exister deux chemins possibles dans le circuit. Le voltmètre et l’ampoule doivent être situés sur des chemins différents.
Considérons d’abord le circuit A. Ce circuit ne convient pas car il est ouvert. Il n’y a donc qu’un seul chemin entre les deux bornes du générateur.
Le voltmètre n’est connecté au circuit qu’après l’ampoule. Il ne peut pas mesurer la différence de potentiel aux bornes de l’ampoule.
Considérons ensuite le circuit B. Le schéma ci-dessous représente les chemins possibles pour la circulation des charges dans ce circuit.
Il y a deux chemins possibles, notés A et B sur le schéma. L’ampoule est située sur le chemin A et le voltmètre sur le chemin B.
Il existe une ramification dans le circuit, lorsque les chemins A et B se séparent puis se rejoignent. On voit donc que, pour qu’une charge circulant d’une borne à l’autre du générateur, passe à la fois à travers l’ampoule et le voltmètre, elle doit passer à la fois par le chemin A et par le chemin B.
Une charge circulant sur le chemin A ne peut pas circuler en même temps sur le chemin B. Une charge circulant sur le chemin B ne peut pas circuler en même temps sur le chemin A.
Les chemins A et B sont donc parallèles. Nous avons vu que l’ampoule est situé sur le chemin A et que le voltmètre est situé sur le chemin B, le voltmètre et l’ampoule sont donc connectés en parallèle. Le voltmètre peut donc mesurer correctement la différence de potentiel aux bornes de l’ampoule. La bonne réponse est donc la réponse B.
Regardons également les autres propositions. Il n’y a qu’un seul chemin dans le circuit C, qui indiqué par la flèche sur le schéma ci-dessous.
Le voltmètre et l’ampoule sont donc connectés en série. Le voltmètre ne peut donc pas mesurer la différence de potentiel aux bornes de l’ampoule.
Nous avons la même chose pour le circuit D : le voltmètre et l’ampoule sont situés sur le même chemin car il n’y a qu’un seul chemin dans ce circuit. Ils sont connectés en série. Cela est représenté ci-dessous.
Sur le schéma E, il y a plusieurs chemins possibles. Cependant, les deux composants ne sont pas situés sur des chemins différents. Cela est représenté sur le schéma ci-dessous.
En suivant le chemin autour du circuit dans le sens contraire des aiguilles d’une montre, nous pouvons vérifier si les composants sont connectés en série ou en parallèle. Si des charges se déplaçant le long d’un chemin non ramifié autour du circuit peuvent passer à travers les deux composants, alors ces composants sont tous les deux situés sur ce chemin et ils sont connectés en série.
C’est le cas pour le circuit E : les composants sont connectés en série. Dans le schéma du circuit E ci-dessus, il est possible de partir du générateur, de passer par le point (i) et de traverser l’ampoule.
Nous pouvons ensuite aller jusqu’au point(ii) et traverser le voltmètre. Finalement, nous pouvons aller jusqu’au point (iii) et rejoindre le générateur.
Rappelons qu’une différence de potentiel est mesurée entre deux points. Ainsi, pour mesurer la différence de potentiel aux bornes de l’ampoule, il faut que le voltmètre soit connecté en deux points différents du circuit : avant et après le composant. Dans le circuit E, le voltmètre n’est pas relié au circuit avant l’ampoule, il n’est donc pas connecté en parallèle avec cette dernière.
Exemple 4: Identifier si un voltmètre est correctement connecté à un composant en particulier
Chacun des schémas suivants représente un circuit contenant un générateur, une ampoule, un bipeur et un voltmètre. Quel schéma représente le montage correct permettant de mesurer la différence de potentiel uniquement aux bornes de l’ampoule à l’aide du voltmètre ?
Réponse
Rappelons que pour qu’un voltmètre puisse mesurer la différence de potentiel aux bornes d’un composant, il doit être connecté en parallèle avec celui-ci.
Il doit donc y avoir deux chemins possibles dans le circuit ; le voltmètre et l’ampoule doivent être situés sur des chemins différents.
Considérons d’abord le schéma E. Le voltmètre est connecté en parallèle à la fois avec l’ampoule et le bipeur.
Nous le voyons parce qu’ils sont situés sur des chemins différents, comme représenté sur le schéma ci-dessous.
Le voltmètre est situé sur le chemin A. Les deux autres composants sont situés sur le chemin B.
Il existe une ramification dans le circuit, lorsque les chemins A et B se séparent puis se rejoignent. On voit donc que, pour qu’une charge circulant d’une borne à l’autre du générateur, passe à la fois à travers l’ampoule, le bipeur et le voltmètre, elle doit passer à la fois par le chemin A et par le chemin B. Ceci nous indique que les composants situés sur le chemin B, c’est-à-dire l’ampoule et le bipeur, sont connectés en parallèle avec les composants situés sur le trajet A, c’est-à-dire le voltmètre.
Le schéma nous indique également que le bipeur et l’ampoule sont connectés en série, car ils sont sur situés sur le même chemin. Dans ce cas, les charges circulant d’une borne à l’autre du générateur peuvent traverser l’ampoule et le bipeur tout en restant sur un chemin. Ces deux composants sont donc en série.
Dans l’énoncé, il est demandé que le voltmètre mesure la différence de potentiel uniquement aux bornes de l’ampoule.
Comme le voltmètre est connecté en parallèle avec les deux composants, il va mesurer la différence de potentiel totale, aux bornes de l’ampoule et du bipeur.
Considérerons ensuite le circuit D. Il existe deux chemins possibles dans ce circuit, comme représenté sur le schéma ci-dessous.
En suivant le chemin autour du circuit dans le sens contraire des aiguilles d’une montre, nous pouvons vérifier si les composants sont connectés en série ou en parallèle. Si des charges se déplaçant le long d’un chemin non ramifié autour du circuit peuvent passer à travers les deux composants, alors ces composants sont tous les deux situés sur ce même chemin et ils sont connectés en série.
Dans le schéma du circuit D ci-dessus, il est possible de partir du point (i) pour aller directement au point (ii).
Ensuite, nous pouvons aller jusqu’au point (iii) et traverser l’ampoule et le bipeur.
Le voltmètre n’est donc pas connecté en parallèle avec l’ampoule, car les composants se trouvent tous les deux sur ce chemin. Le voltmètre ne peut donc pas mesurer la différence de potentiel aux bornes de l’ampoule.
Considérons maintenant le circuit C. Il existe deux chemins possibles dans ce circuit, qui sont représentés sur le schéma ci-dessous.
Ce circuit est similaire au circuit E, mais ici, le voltmètre est situé sur le chemin B et le bipeur et l’ampoule sur le chemin A. Le voltmètre est donc connecté en parallèle avec le bipeur et l’ampoule.
Le schéma nous indique également que le bipeur et l’ampoule sont, encore une fois, connectés en série.
Dans la question, il est demandé que le voltmètre mesure la différence de potentiel uniquement aux bornes de l’ampoule.
Rappelons que les deux extrémités du voltmètre doivent être connectées de part et d’autre du composant considéré. Ce branchement doit être effectué sans passer par un autre composant placé avant celui dont on veut mesurer la différence de potentiel.
Ce n’est pas le cas ici, car, sur le chemin A, on trouve un autre composant avant l’ampoule.
Comme le voltmètre est connecté en parallèle avec deux composants, il va mesurer la différence de potentiel totale aux bornes à la fois de l’ampoule et du bipeur.
Les chemins possibles dans le circuit B sont représentés ci-dessous.
Il existe une ramification dans le circuit, lorsque les chemins A et B se séparent puis se rejoignent. On voit donc que, pour qu’une charge circulant d’une borne à l’autre du générateur, passe à la fois à travers l’ampoule et le voltmètre, elle doit passer à la fois par le chemin A et par le chemin B. Une charge circulant sur le chemin A ne peut pas circuler en même temps sur le chemin B. Une charge circulant sur le chemin B ne peut pas circuler en même temps sur le chemin A.
Les chemins A et B sont donc parallèles. Nous avons vu que l’ampoule est située sur le chemin A et que le voltmètre est situé sur le chemin B, le voltmètre et l’ampoule sont donc connectés en parallèle.
Le bipeur est situé avant la ramification dans le circuit. Il n’est donc pas connecté en parallèle avec le voltmètre et sa différence de potentiel ne sera donc pas mesurée, comme cela est demandé dans la question.
Le voltmètre peut donc mesurer correctement la différence de potentiel uniquement aux bornes de l’ampoule. La réponse B est donc la bonne reponse.
Exemple 5: Identifier des circuits parallèles équivalents avec des configurations différentes
Parmi les circuits suivants, quels sont les deux circuits équivalents ?
Réponse
Le bipeur, l’ampoule et le générateur de chaque circuit ne bougent pas. Sur chaque schéma, seulement l’emplacement du voltmètre est modifié.
Deux circuits seront donc équivalents si les voltmètres respectifs mesurent la même différence de potentiel.
Rappelons que pour qu’un voltmètre puisse mesurer la différence de potentiel aux bornes d’un composant, il doit être connecté en parallèle avec ce composant.
Commençons par le circuit A, le schéma ci-dessous représente les deux chemins possibles dans ce circuit.
Il existe une ramification dans le circuit, lorsque les chemins A et B se séparent puis se rejoignent. On voit donc que, pour qu’une charge circulant d’une borne à l’autre du générateur, passe à la fois à travers l’ampoule et le voltmètre, elle doit passer à la fois par le chemin A et par le chemin B. Une charge circulant sur le chemin A ne peut pas circuler en même temps sur le chemin B. Une charge circulant sur le chemin B ne peut pas circuler en même temps sur le chemin A.
Le voltmètre est situé sur le chemin B, tandis que l’ampoule est située sur le chemin A. Cela signifie que les deux composants sont connectés en parallèle et que le voltmètre va mesurer la différence de potentiel uniquement aux bornes de l’ampoule.
Dans le circuit B, le voltmètre mesure la différence de potentiel totale aux bornes du bipeur et de l’ampoule. Cela est représenté ci-dessous.
Il existe une ramification dans le circuit, lorsque les chemins A et B se séparent puis se rejoignent. On voit donc que, pour qu’une charge circulant d’une borne à l’autre du générateur, passe à la fois à travers l’ampoule, le bipeur et le voltmètre, elle doit passer à la fois par le chemin A et par le chemin B. Cela nous indique que les composants situés sur le chemin A, c’est-à-dire l’ampoule et le bipeur, sont connectés en parallèle avec les composants situés sur le chemin B, c’est-à-dire le voltmètre.
Le bipeur et l’ampoule sont tous les deux situés sur le chemin A, donc ils sont en série, et le voltmètre est situé sur le chemin B, il est donc connecté en parallèle avec les deux composants.
Dans le circuit C, le bipeur et le voltmètre sont situés sur des chemins différents. Le voltmètre va donc mesurer la différence de potentiel uniquement aux bornes du bipeur. Cela est représenté ci-dessous.
Le schéma ci-dessous montre les chemins possibles sur le circuit D. Le voltmètre est situé sur le même chemin que le bipeur et l’ampoule.
En suivant le chemin autour du circuit dans le sens contraire des aiguilles d’une montre, nous pouvons vérifier si les composants sont connectés en série ou en parallèle. Si des charges se déplaçant le long d’un chemin non ramifié autour du circuit peuvent passer à travers les deux composants, alors ces composants sont tous les deux situés sur ce même chemin et ils sont connectés en série.
Nous partons du générateur pour aller au point (i). Nous pouvons ensuite suivre le chemin du fil à travers le bipeur, puis l’ampoule jusqu’au point (ii).
Nous traversons ensuite le voltmètre. Finalement, nous pouvons rejoindre le générateur.
Les trois composants sont donc situés sur le même chemin et sont donc connectés en série. Le voltmètre ne mesure pas la différence de potentiel aux bornes des composants.
Enfin, les chemins possibles du circuit E sont représentés sur le schéma ci-dessous.
Le voltmètre est situé sur un chemin différent de l’ampoule, ce qui est semblable au circuit A mais le voltmètre est situé sur le chemin A et l’ampoule sur le chemin B. Ils sont donc connectés en parallèle et le voltmètre va mesurer de nouveau la différence de potentiel aux bornes de l’ampoule.
Les circuits E et A sont équivalents.
Points clés
- Un voltmètre est un appareil utilisé pour mesurer la différence de potentiel aux bornes d’un composant dans un circuit.
- Le symbole du voltmètre est un cercle avec la lettre au milieu, comme représenté ci-dessous.
- Un voltmètre doit être connecté en parallèle.
