Loi d'Ohm, effet Joule et ... apiculture

Les abeilles construisent des rayons de cire, constitués d'alvéoles hexagonales aux dimensions parfaites. Ces alvéoles peuvent servir à la ponte et l'élevage du couvain, mais aussi au stockage du pollen et du miel.

 

  

 

Pour simplifier le travail, les apiculteurs utilisent depuis plusieurs décennies des cadres amovibles dans lesquels les abeilles vont faire leur œuvre de bâtisseuses. Pour accélérer la construction, on peut fournir aux abeilles des cadres dans lesquels sont insérés une feuille de cire gaufrée comportant les empreintes hexagonales des futures alvéoles. Cette feuille est maintenue à l'aide d'un fil métallique :

   

 

Cadre filé             ...                 puis gaufré       

 

La cire d'abeille fond à une température voisine de 60°C. Pour incruster le fil métallique dans la feuille de cire, on peut utiliser l'effet Joule : on fait passer dans le fil un courant électrique dont l'intensité est voisine de 2 ampères. Au bout de quelques secondes la cire  posée contre le fil se met à fondre au voisinage du fil. On coupe alors le courant. En se refroidissant la cire vient enserrer le fil :

 

 

Objectif de la séance : vous allez devoir déterminer de quel métal est

constitué ce fil.

 

 

Effet Joule

Lorsqu'un conducteur est parcouru par un courant électrique, alors ce conducteur dégage de la chaleur : c'est l'effet Joule.

Cet effet est parfois considéré comme une gêne.

Par exemple l'augmentation de la température (en raison de cet effet Joule) dans un dispositif électronique tel qu'un ordinateur pourrait détruire les composants si on ne cherchait pas à évacuer, à l'aide de ventilateurs, la chaleur produite :

Mais cet effet est au contraire recherché dans d'autres applications de la vie courante.

Pourriez-vous en citer plusieurs ?

Loi d'Ohm

Certains conducteurs (par exemples les métaux) ont la propriété électrique suivante : il y a un lien de proportionnalité entre la tension U (en volt) appliquée à leurs bornes et l'intensité I (en ampère) du courant qui les traverse. C'est la loi d'Ohm. Le coefficient de proportionnalité est noté R : c'est la résistance du conducteur étudié. Elle s'exprime en ohm (Ω).

U = R.I

 

Résistance d'un fil métallique

Un fil métallique peut être considéré comme un cylindre de longueur L et dont la base a une surface S.

La résistance de ce fil est donnée en ohm (Ω) par la relation :

relation dans laquelle :

 

•  la longueur L est exprimée en mètre

 

•  la surface de base S est exprimée en m²

 

• - ρ (« rhô ») représente la résistivité du métal. Cette grandeur est caractéristique du métal utilisé. Elle s'exprime en Ω.m.

 

 A cette adresse, on trouvera la résistivité de différents métaux :

http://www.tibtech.com/fr/conductivite.php

 

 (exemple tiré de cette page Internet : la résistivité de l'aluminium ρ_Al = 2,7.10^-8Ω.m)

Le pied à coulisse

Pour mesurer le diamètre d'un fil avec précision, on peut utiliser le pied à coulisse.

 

Une simulation de son utilisation est donnée ci-dessous (site ostralo.net) :

 

Mesure d'une résistance de faible valeur

Réaliser le montage ci-dessous :

Pour apprendre à mesurer une résistance de faible valeur, on prendra pour R une résistance connue de valeur 10 ohms.

 

Réaliser le montage ci-dessus en commençant par le circuit principal (générateur, résistance de 680 ohms, ampèremètre et résistance "inconnue" de 10 ohms, qui sont en série), puis ajouter le voltmètre (qui lui, est en dérivation).

 

Mesurer U et I à l'aide du voltmètre et de l'ampèremètre. (Choisir les calibres pour avoir la meilleure précision possible) :

U =                                I =

 

En appliquant la loi d'Ohm, calculer la valeur de R et vérifier qu'elle est bien égale à 10 ohms (à 10 % près).

 

Si l'on sait retrouver cette valeur, c'est que l'on a su faire les mesures avec précision et le calcul avec les bonnes unités !

 

Pour mesurer la résistance du fil monté sur le cadre, on pourra alors reprendre la même technique de mesure en remplaçant la résistance de 10 ohms par le cadre dont le câblage est donné ci-dessous :

 

Remarque : dans ce montage, la résistance de 680 ohms sert à limiter l'intensité du courant dans le montage. Sans elle, la faible résistance du reste du circuit entraînerait un courant de forte intensité d'où un risque de destruction du fusible de l'ampèremètre ou  d'un échauffement important de la petite résistance R

 

Le texte de l'activité

Exemple de mesures

Pour un cadre filé avec un fil de longueur 117 cm et de diamètre 0,45 mm,

on a mesuré une intensité de 18,9 mA pour une tension de 100 mV