5.10 Le voltmètre

a) circuit de base

            Le voltmètre est un appareil utilisé pour mesurer des tensions. Son symbole comprend, comme pour tout appareil de mesure, un cercle, dans lequel apparaît la lettre V pour voltmètre; associée à ce symbole est la résistance interne R_V du voltmètre, indiquée explicitement, comme toujours. Il est composé d'un galvanomètre de type Weston, représenté par un cercle comprenant la lettre G , et une résistance R_G indiquée explicitement, dont l'aiguille indique une déviation angulaire proportionnelle au courant I_G qui le traverse, et d'une résistance complémentaire R_C placée en série avec elle. La résistance du voltmètre est donc la résistance équivalente des résistances en série.

            La tension V_Vm maximale qu'il peut mesurer est

donnée par le produit de sa résistance interne fois le courant I_Gm correspondant à une déviation maximale d'aiguille sur le galvanomètre. Cette valeur détermine l'échelle. Si la tension maximale est de 10 V, l'échelle est de 0 - 10 V.

b) circuits de base avec échelles multiples

            La résistance complémentaire R_C peut être variée à l'aide d'un commutateur, ce qui permet de changer d'échelles.

Si un galvanomètre, dont l'aiguille indicatrice dévie complètement pour un courant de 10 mA, est utilisé pour former un voltmètre dont l'échelle est de 0 - 10 V, il s'ensuit de l'équation (5.10.1) que la résistance interne de l'appareil doit être de 10V/10mA, soit 1 kΩ. Si la résistance interne du galvanomètre est de 36 Ω, il s'ensuit de cette même équation que la résistance complémentaire doit être de 1000Ω moins 36Ω, soit 964Ω. Si le même galvanomètre est utilisé pour former un voltmètre dont l'échelle est de 0 - 5 V, la résistance interne du voltmètre doit être de 5V/10mA, soit 500Ω, et la résistance complémentaire, de 464Ω.

c) mode d’utilisation et effet du voltmètre

            Le voltmètre mesure la tension à ses bornes. Il doit donc être placé en parallèle aux bornes de ce qu'il doit mesurer, comme la tension à ses bornes est alors celle qu'il doit mesurer. La mesure est indiquée directement sur son cadran par la pointe de l'aiguille de son galvanomètre. Le voltmètre demande un courant I_G pour faire dévier l'aiguille de son galvanomètre, et ainsi indiquer la tension à ses bornes. Ce courant doit provenir du réseau électrique dont il fait maintenant partie. Or le réseau électrique dont nous désirons vraiment mesurer la tension à ces bornes ne comprend pas ce voltmètre. Il s'ensuit que le circuit mesuré n'est pas celui désiré. L'introduction du voltmètre modifie donc le réseau. Cet effet est d'autant moins important que le courant demandé par le galvanomètre est faible comparé à celui qui circule dans l'élément avec lequel il est en parallèle. À la limite, cet effet est négligeable.

d) comparaison avec d’autres appareils pour mesurer la tension

            Ce problème n'a pas lieu avec le potentiomètre, l'appareil de Poggendorff. En effet, celui-ci ne demande aucun courant au réseau lorsqu'est prise la mesure, comme le courant est alors nul dans la branche du galvanomètre. Cet appareil ne fausse donc en rien le circuit externe. Malheureusement, le potentiomètre est beaucoup moins portatif que le voltmètre avec ses deux piles; il requiert de plus deux ajustements, un pour l'étalonnage et l'autre pour la mesure, et un calcul pour trouver finalement la tension à ses bornes, alors que l'aiguille du voltmètre l'indique directement sur son cadran.

            Un autre appareil qui mesure la tension est l'électromètre. Cet appareil, tout comme le potentiomètre, ne demande aucun courant et donc ne modifie pas le réseau électrique à ses bornes. Mais il est souvent de modèle très fragile et difficile d'utilisation.