TECHNIQUES EXPÉRIMENTALES Document d accompagnement de la séance de travaux pratiques n o 5. Ampoules en série

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1 Licence L1 Domaine Sciences, Technologie, Santé Année 2015/ er semestre TCHNIQUS XPÉRIMNTALS Document d accompagnement de la séance de travaux pratiques n o 5 Ampoules en série «Je n hésite pas à le dire, cette masse en apparence inerte, cet assemblage bizarre, cette pile [...] est, quant à la singularité des effets, le plus merveilleux instrument que les hommes aient jamais inventé, sans en excepter le télescope et la machine à vapeur.» ARAGO 1 I. Organisation de la séance I.1. Objectif L objectif de cette séance est : 1. de comprendre la notion de point de fonctionnement nominal ; 2. de régler la luminosité d une ampoule électrique ; 3. d analyser correctement l effet de la mise en série d ampoules et éléments résistifs ; 4. de réaliser un montage électrique correspondant à un schéma donné, selon la nomenclature consacrée. I.2. Matériel Vous disposez sur votre table de tout le matériel nécessaire. Tout échange avec les tables voisines est proscrit. Vérifiez la liste du matériel en entrant et en sortant de la salle. Il doit y avoir présents sur votre table : 1 alimentation stabilisée ; 2 lampes à incandescence 6V0.1A ; 3 résistors dont la résistance nominale vaut 47 Ω ; 1 potentiomètre dont on peut fixer la résistance à toute valeur comprise entre 4 Ω et 250 Ω ; un support à composants. n outre, vous trouverez à votre disposition dans la salle les câbles électriques dont vous aurez besoin pour réaliser vos montages. Utilisez toujours les câbles les plus courts pour connecter les composants, en choisissant leur couleur de façon à ce que le montage soit facilement lisible François ARAGO ( ), physicien français, au sujet de la pile électrique d Alessandro VOLTA, in Œuvres complètes de François Arago, secrétaire perpétuel de l Académie des Sciences, publiées d après son ordre sous la direction de M. J.-A. Barral, tome premier, pp (Paris, Gide et J. Baudry, 1854). Le texte original est accessible sur internet à l adresse suivante : 2. On évitera ainsi de connecter un câble noir à une embase rouge...

2 I.3. Valeur nominale : définition Sur la plupart des composants électriques, on trouve inscrite la tension nominale. il s agit de la tension U nom sous laquelle le fabricant d un appareil estime qu il doit fonctionner. Une tension supérieure est susceptible de raccourcir sa durée de vie, voire de le détruire, aussi fautil s efforcer de ne pas dépasser sa valeur nominale. d une autre côté, une tension inférieure à sa valeur nominale risque d empêcher le fonctionnement normal de l appareil. On trouve aussi parfois inscrite l intensité nominale, c est-à-dire l intensité I nom du courant qui doit en principe la traverser, dans des conditions normales de fonctionnement. nfin il est aussi souvent indiqué la puissance nominale, la puissance P nom que la lampe dissipe dans les conditions normales de fonctionnement. Dans le cas d un dipôle ohmique comme l est essentiellement une lampe à incandescence, ces trois grandeurs sont reliées par la relation suivante : P nom = U nom I nom. Si l une des grandeurs électrique (tension, intensité ou puissance) est égale à sa valeur nominale alors les autres grandeurs le sont en principe 3 aussi. II. Lampe à incandescence On cherche ici à découvrir comment varie l éclairement d une lampe en fonction selon son alimentation électrique. II.1. Valeurs nominales FIGUR 1 Description schématisée d une lampe à incandescence. (1) Ampoule de verre, aussi appelée bulbe. (2) Gaz inerte. (3) Filament de tungstène. (4) Fil conducteur (contact avec le plot central). (5) Fil conducteur (contact avec le culot). (6) Fil de support du filament. (7) Monture ou support en verre. (8) Culot (contact électrique) ; (9) Culot (pas de vis ou baïonnette, etc.). (10) Isolant. (11) Plot central (contact électrique). Lisez ce qui est gravé sur le culot de l ampoule à filament dont vous disposez pour en déduire : 3. Cette propriété sera démontrée ultérieurement en cours. 2

3 sa tension nominale ; son intensité nominale ; sa puissance nominale. Vous comparerez sa puissance nominale à celle des ampoules à incandescence dont on se sert pour éclairer une pièce domestique ; n hésitez pas à utiliser internet pour ce faire. II.2. Étude qualitative Important : ne jamais appliquer à la lampe une tension supérieure à 8 V. Réglez l alimentation stabilisée en source idéale de tension, en choisissant pour consigne la valeur nominale de la tension de la lampe. Validez ce réglage avec votre enseignant.e, puis connectez-y la lampe (figure 2). L 0 FIGUR 2 Lampe L 0 branchée seule à la source de tension. 1. Quel est l intensité du courant qui traverse la lampe? Pouvait-on le prévoir? 2. Comment varie la luminosité si vous diminuez la tension appliquée à la lampe? t si vous l augmentez (sans jamais dépasser 8 V )? 3. Comment varie l intensité du courant si vous diminuez la tension appliquée à la lampe? t si vous l augmentez (sans jamais dépasser 8 V )? III. Résistors en série I a I b (a) (b) FIGUR 3 Deux circuits série, l un (a) avec un unique résistor, l autre (b) avec deux. Comment I b se compare à I a? Pour appréhender les lois de l électricité, et en particulier la loi de Pouillet, on se propose de réaliser une petite expérience. On considère un circuit composé d un résistor et d une source idéale de tension. Si on rajoute, en série, un résistor identique, comment varie l intensité dans le circuit? Pour y répondre, procédez comme suit : 1. Réglez l alimentation stabilisée en source idéale de tension, en choisissant pour consigne 4,7 volts. Validez ce réglage avec votre enseignant.e, puis connectez-y ensuite un résistor. 2. Relevez le courant I a que débite l alimentation Désactivez l alimentation puis refaites le circuit, avec cette fois-ci 2 résistors en série. 4. Activez à nouveau l alimentation (toujours réglée en source idéale de tension à 4,7 volts), et relevez la nouvelle valeur I b du courant. Cette valeur vous semble-t-elle logique? 4. Inutile, pour une fois, d évaluer l incertitude : on fait une expérience qualitative. 3

4 IV. Lampes et résistors en série Pour intégrer les lois de l électricité, notamment sur la tension et le courant, vous allez dans un premier temps essayer de répondre à des questions sur des circuits électriques élémentaires, puis dans un second temps les réaliser afin de confirmer, ou infirmer, vos prédictions. Ceci amènera à une discussion générale sur les lois de l électricité, et permettra d améliorer votre intuition à ce sujet. Vous répondrez aux questions à la fois sur cet énoncé, mais aussi sur internet, à l adresse que votre enseignant.e vous communiquera. IV.1. Circuit n o 1 On considère le circuit série composé d un générateur de tension continue et d un résistor (R = 47 Ω) entourée de deux ampoules identiques L1 et L2. L ampoule L1 brille-t-elle : Q1-a aussi fort ; Q1-b plus fort ; Q1-c ou moins fort que l ampoule L2? L 1 R 0 L 2 FIGUR 4 Circuit n o 1. IV.2. Circuit n o 2 On considère le circuit série composé d un générateur de tension continue et d un résistor (R 0 = 47 Ω) en série avec un potentiomètre de résistance variable entre 0 Ω et 250 Ω, entourées de deux ampoules identiques L1 et L2. L R R var 1 0 L2 FIGUR 5 Circuit n o 2. On suppose que la potentiomètre est initialement réglé sur 0 Ω, de sorte qu on est ramené à la situation précédente. On augmente ensuite la valeur de la résistance du potentiomètre. L ampoule L1 brille-t-elle : Q2-a aussi fort ; Q2-b plus fort ; Q2-c ou moins fort qu auparavant? 4

5 L ampoule L2 brille-t-elle : Q2bis-a aussi fort ; Q2bis-b plus fort ; Q2bis-c ou moins fort qu auparavant? IV.3. Circuit n o 3 On considère le circuit série composé d un générateur de tension continue, de deux lampes toujours identiques L3 et L4, suivies d un résistor (R 0 = 47 Ω). L 3 L 4 R 0 L ampoule L3 brille-t-elle : Q3-a aussi fort ; Q3-b plus fort ; Q3-c ou moins fort que l ampoule L4? IV.4. Circuits n o 4a, n o 4b, n o 4c L FIGUR 6 Circuit n o 3. On considère les 3 circuits série de la figure 7. R 0 3 L 4 R 0 L L 4 R 0 3 L 3 L 4 R 0 R 0 (a) (b) (c) FIGUR 7 Circuits n o 4. Q4 Classer les circuits n o 4a, n o 4b et n o 4c en fonction de la brillance relative de l ampoule L3. A priori (mais c est à vous de le déterminer), il est possible que la brillance soit la même dans différents circuits. IV.5. Réalisation expérimentale et analyse des observations Réaliser successivement les circuits numérotés de 1 à 4, en réglant l alimentation stabilisée pour délivrer une tension de 12 volts. Comparer les résultats expérimentaux à vos prédictions théoriques, matérialisées par vos réponses aux questions. Votre enseignant.e fera un résumé des observations et vous amènera à réviser, le cas échéant, vos conceptions initiales. 5