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CHAUFFAGE PAR EFFET JOULE et CARACTERITIQUE D’UNE PILE CORRECTION Notions et contenus Capacités exigibles Activités expérimentales support de la formation

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Academic year: 2022

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L’ENERGIE CONVERSION ET TRANSFERT CH13 L’ENERGIE DES SYSTEMES ELECTRIQUES

CHAUFFAGE PAR EFFET JOULE et CARACTERITIQUE D’UNE PILE CORRECTION

Notions et contenus Capacités exigibles Activités expérimentales support de la formationModèle d’une source réelle de tension continue comme association en série d’une source idéale de tension continue et d’une résistance. Déterminer la caractéristique d’une source réelle de tension et l'utiliser pour proposer une modélisation par une source idéale associée à une résistance.

Puissance et énergie. Bilan de puissance dans un circuit. Effet Joule. Cas des dipôles ohmiques. Rendement d’un convertisseur. Définir le rendement d’un convertisseur. Évaluer le rendement d’un dispositif.

I/ CARACTERITIQUES D’UN GENERATEUR ET D’UN RECEPTEUR 1-Protocole expérimental

• Réaliser le montage du circuit schématisé ci-dessous (sans les voltmètres au départ) avec une pile de 4,5 V ou 9V, une résistance électrique Rp =10 Ω, un rhéostat (résistance variable avec curseur) et un ampèremètre (attention au sens des branchements des dipôles).

• Puis, placer un voltmètre en dérivation par rapport à la pile, et un second en dérivation par rapport à la résistance Rp (bien les repérer). Rajouter sur le schéma ci-dessus le schéma du voltmètre aux bornes de Rp qui n’est pas repréenté.

• Ouvrir le logiciel Regressi, faire Fichier / Nouveau / Clavier pour entrer les valeurs expérimentales : I (en A), UG (en V) et UR (en V).

Faire valider le montage par le professeur.

• Déplacer le curseur du rhéostat pour que l’intensité I soit la plus faible.

• Entrer les valeurs respectives des tensions UG de la pile et UR de la résistance.

• Recommencer pour six autres valeurs de l’intensité (tous les 0,5 A par exemple).

2- Résultats On obtient les résultats ci-contre.

Rappel le logiciel Regressi est téléchargeable gratuitement sur la page de l’auteur : https://jean-michel-millet.pagesperso-orange.fr/telecharge.xml

choisir la version la plus récente, même si elle s’appelle ancienne version (moins de bug)

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Pour atelier scientifique version élève sur cette page

https://www.jeulin.fr/logiciel-atelier-scientifique-eleve-physique-chimie-ress-127297.html

3. Exploitation

3.1. Sur le même graphique, visualiser les courbes UG = f(I) et UR = g(I). Quelle est l’allure de chacune d’elles ? On appelle ses courbes les caractéristiques des dipôles

3.2. Modéliser chaque courbe et donner l’équation de chaque droite.

Après accord du professeur, imprimer les courbes avec l’expression des modèles.

3.3. Retrouve-t-on la loi d’Ohm UR = R × I pour la résistance ? Justifier.

UG et I sont proportionnelles. On observe une droite qui passe par l’origine. Rcoefficent directeur de la dorite R=10 Ω

3.4. Une pile (ou générateur électrique) possède la caractéristique suivante : UG = E – r × I

La force électromotrice (ou f.é.m.) E de la pile correspond à sa tension en circuit ouvert, et r est sa résistance interne. Retrouve-t-on cette relation ? Justifier en donnant les valeurs respectives de E et de r. E = 4,45 V et r=0.34 Ω

3.5. Quelles sont les différences entre un générateur électrique et un récepteur électrique aux vues de leur caractéristique respective ?

La caractéritsique d’un recpeteur est en générale une fonction croissante. Ici une droite qui passant par l’origine pour un conducteur ohmique ou résistance. La caractéritique d’un générateur est une droite décroissante.

I/A

0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4

UR/V

0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

UG/V

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II/ MISE EN EVIDENCE DE L’EFFET JOULE 1. Protocole expérimental

• Verser 250 mL d’eau dans le calorimètre.

• Immerger la résistance chauffante R = 6 Ω (repérer les bornes) et le thermomètre.

• Réaliser le circuit schématisé ci-dessous : Repérer le générateur (éteint) et brancher un fil sur chaque borne + et - ;

Brancher les dipôles en suivant le sens du courant à partir de la borne + ;

Le courant doit pénétrer par la borne A de

l’ampèremètre gris pour que la valeur de l’intensité I du courant électrique soit positive.

• Mesurer la température initiale de l’eau notée θi. Faire valider le montage par le professeur.

• Ouvrir le logiciel Regressi ou Atelier scientifique afin d’entrer les valeurs expérimentales suivantes : t (en s), I (en A) et θ (CTRL+G puis q) (en °C).

• Simultanément, mettre en marche le générateur et déclencher le chronomètre.

• Mesurer la température θ de l’eau toutes les 30 s, et ce pendant 4 minutes environ (penser à homogénéiser l’eau). Noter aussi l’intensité I.

• Eteindre le générateur et débrancher le circuit.

2- Résultats

3-Exploitation

2.1. L’intensité du courant varie-t-elle au cours du temps ? En déduire sa valeur moyenne.

La valeur de I reste constante aux alentorus de 1,4 A

2.2. Donner l’expression et calculer l’énergie électrique notée Eélec consommée par la résistance chauffante pendant la durée Δt de fonctionnement Donnée : Puissance électrique P = R × I2 E = Px t = U x I x t = R x I x I x t = R × I2xt

2.3. Quel est l’effet du transfert d’énergie électrique vers l’eau ?

Le transfert thermique permet de chauffer l’eau. L’énergie électrique et transformée en chaleur par le conducteur ohmique (résistance)

2.4. Donner l’expression et calculer l’énergie thermique notée Q emmagasinée par l’eau lors de son augmentation de température.

Q = m x C x ΔT = 150 x 4, 18 x (Ti+1 -T1) à chaque instant (voir tableau)

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Données : Energie thermique Q = m × Ce × Δθ avec la masse m d’eau et sa capacité calorifique Ce = 4,18 J.g-1.°C-1 .

2.5. En comparant les valeurs précédentes, peut-on dire qu’il y ait conservation de l’énergie totale ? Justifier. Donner des explications sur les écarts remarqués.

L’énergie ne se conserve pas même si les énergies sont proches. Une partie de l’énergie est dissipée sous forme de chaleur dans les fils de connexion, le calorimètre n’est peut-être pas très bien isolé.

2.6. Dans le cas du grille-pain, sous quelle forme est convertie l’énergie électrique ? Et avec une lampe à incandescence ?

Dans un grille-pain l’énergie électrique est transformée en énergie thermique (chaleur)

Dans une lampe, l’énergie est transformée en énergie lumineuse et en chaleur aussi (le filament de la lampe chauffe)

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