Les conducteurs ohmiques
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- Flavien Marois
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1 T3S2 A Structure et propriétés des matériaux Les conducteurs ohmiques TS Spéciaité Partie I : Rappes de 4ème I- LE CIRCUIT EN SÉRIE 11- Donner a définition d'un circuit en série 12- Exercice : Dessiner un circuit en série comportant un générateur, une ampe et un moteur. 13- Rappeer a oi d'additivité des tensions dans un circuit en série 14- Que peut on dire de 'intensité dans un circuit en série II- LE CIRCUIT EN DÉRIVATION 21- Donner a définition d'un circuit en dérivation 22- Exercice : Dessiner un circuit en dérivation comportant un générateur, une ampe et un moteur. 23- Que peut on dire de a tension aux bornes des dipôes montés en dérivation? 24- Rappeer a oi des nœuds III- MESURE D'UNE TENSION ET D'UNE INTENSITÉ 31- Mesure d'une tension a- Avec que apparei mesure-t-on une tension? b- Comment doit on brancher cet apparei de mesure? 32- Mesure d'une intensité a- Avec que apparei mesure-t-on une intensité? b- Comment doit on brancher cet apparei de mesure? 33- Appication : Un moteur et une ampe sont branchés en série aux bornes d'un générateur. On veut mesurer a tension aux bornes du moteur ainsi que 'intensité qui e traverse. Faire un schéma du montage permettant 'ensembe de ces mesures. Partie II : Conducteurs ohmiques : ça chauffe!!! Les propriétés des conducteurs ohmiques sont à origine de eurs nombreuses appications, comme dans e domaine de automobie. Pusieurs constructeurs automobies proposent des véhicues équipés de sièges chauffants, qui peuvent faire varier a chaeur ressentie par es passagers grâce à une commande réguatrice présente sur e tabeau de bord. (Fig. 1) Le principe est d intégrer dans e siège des fis résistifs, qui sont des fis conducteurs présentant une certaine résistance au passage du courant éectrique, transformant ainsi de énergie éectrique en énergie thermique. En éectricité, un conducteur est un matériau susceptibe de aisser passer e courant éectrique, autrement dit de permettre e mouvement des porteurs de charge (des éectrons ibres dans e cas des matériaux métaiques Fig. 2). Les fis résistifs sont généraement formés d aiages de métaux. Comme e matériau n est pas pur, e débit de charges est d autant pus freiné, ce qui expique échauffement du matériau : c est effet Joue. TS spéciaité T3S2A conducteurs ohmiques NEW 1/7
2 En aboratoire, es ingénieurs automobies étudient e comportement des fis résistifs pour pouvoir choisir ceui qui sera e pus adapté à tee ou tee utiisation. Document 1 : c est quoi une caractéristique d un dipôe? En éectronique, orsqu on veut connaître e comportement d un dipôe, on détermine sa caractéristique, ce qui revient à représenter ensembe des coupes (U ; I) possibes, U désignant a tension aux bornes du dipôe et I, intensité du courant à sa sortie. On trace souvent U en fonction de I, ce graphe est a caractéristique du dipôe. Document 2 : C est quoi un conducteur ohmique? Tout conducteur dont intensité I est proportionnee à a tension U à ses bornes est appeé conducteur ohmique. En effet, i obéit à a oi d Ohm U = R I. La caractéristique est une droite passant par origine. Le coefficient directeur de a droite est aors a résistance R. Document 3 : Schéma d un circuit éectrique Document 4 : Utiisation d'un rhéostat Un rhéostat est un apparei constitué par e bobinage d'un fi conducteur sur un manchon isoant. Un curseur mobie peut se dépacer sur une tige métaique et frotte e bobinage. Les bornes A et B correspondent aux 2 extrémités du bobinage. La borne C est reiée au curseur. En dépaçant e curseur, on fait varier a vaeur de a résistance entre es points A et C. Attention, quand e curseur est en position 1 (à proximité des bornes C et A), a résistance est proche de 0 Ω et donc 'intensité du courant peut avoir une vaeur très importante. Document 5 : Caractéristiques des différents fis résistifs en nichrome Coueur Diamètre (en mm) Longueur (en cm) Rouge 0,50 50 Beu 0,32 50 Jaune 0,32 15 Noir 0,16 12 TS spéciaité T3S2A conducteurs ohmiques NEW 2/7
3 Document 6 : Comment utiiser un mutimètre? Document 7 : Matérie à votre disposition énérateur de tension continue régabe, 2 mutimètres, des fis de connexion, un rhéostat (ou résistance variabe), 4 fis résistifs en nichrome de diamètre et ongueur différents, tabeur-grapheur Latispro et des feuies miimétrées Mise en œuvre au aboratoire 1a- Au niveau expérimenta, qu est-i possibe de mettre en œuvre pour faire varier intensité éectrique traversant e fi résistif? 1b- A aide des documents, schématiser e montage éectrique simpe qui permet de construire a caractéristique d un fi résistif. Expiquer en une phrase, ce que vous aez mesurer pour tracer a caractéristique du fi résistif. MONTRER AU PROFESSEUR 2- Réaiser e circuit puis MONTRER AU PROFESSEUR puis reever es coupes (U,I) possibes pour chaque fi résistif étudié. Expoitation 3a- À aide éventuee d un papier miimétré, représenter sur un même graphique es différentes caractéristiques des différents fis résistifs. MONTRER AU PROFESSEUR. 3b- Un fi résistif peut-i être considéré comme un conducteur ohmique? 4a- Pour chaque fi résistif utiisé, déterminer à partir de a courbe a vaeur de a résistance R correspondante. 4b- À aide d un ohmmètre, réaiser une mesure directe de ces résistances. Comparer aux vaeurs déterminées précédemment. 5a- De quoi sembe dépendre a résistance d un fi résistif? (masse? son diamètre?, sa ongueur?, sa composition? sa température?) 5b- Parmi es reations suivantes, aquee traduit a vaeur R de a résistance? a : R=ρ S ; b : R= ρ S ; c : R= ρ S S désigne a section du fi (aire de a coupe transversae) ; sa ongueur et ρ est un coefficient de proportionnaité (appeé égaement résistivité du matériau utiisé). 6a- Quee est 'unité de ρ? Effectuer une anayse dimensionnee à partir des unités de S et. 6b- Déterminer a résistivité du matériau pour chaque fi résistif utiisé après avoir converti dans a bonne unité es vaeurs de S et pour chaque fi. Pour concure 7- Quee est aure de a caractéristique tension-intensité d un conducteur ohmique? 8- Comment expiquer e dégagement de chaeur produit par utiisation de fis résistifs dans un siège chauffant? 9- Quees doivent être es caractéristiques d un conducteur pour être utiisé comme fi résistif? TS spéciaité T3S2A conducteurs ohmiques NEW 3/7
4 T3S2 A Structure et propriétés des matériaux Les conducteurs ohmiques Matérie TS Spéciaité Éèves : Bureau : - énérateur de tension continue régabe - 2 mutimètres - Une résistance variabe ou rhéostat - Fis de connexion - 4 Fis résistifs en nichrome de diamètre et ongueur différents - Tabeur grapheur Latis Pro - Feuies de papier miimétré TS spéciaité T3S2A conducteurs ohmiques NEW 4/7
5 T3S2 A Structure et propriétés des matériaux Les conducteurs ohmiques Correction TS Spéciaité Partie I : Rappes de 4ème I- LE CIRCUIT EN SÉRIE 11- Un circuit en série ne comporte qu une seue bouce constituée de dipôes associés es uns à a suite des autres : association des dipôes forme une bouce simpe. 12- Exercice : Dessiner un circuit en série comportant un générateur, une ampe et un moteur. + M 13- La oi d'additivité des tensions dans un circuit en série : Dans un circuit en série (ou en bouce simpe), a tension aux bornes du générateur est égae à a somme des tensions aux bornes de chacun des récepteurs. 14- La vaeur de intensité du courant est toujours a même en tout point d un circuit en série II- LE CIRCUIT EN DÉRIVATION 21- Un circuit en dérivation est constitué de pusieurs bouces 22- Exercice : Dessiner un circuit en dérivation comportant un générateur, une ampe et un moteur. + M 23- Les tensions aux bornes des dipôes montés en dérivation sont égaes 24- La oi des nœuds : La somme des intensités du courant arrivant en un nœud est égae à a somme des intensités qui en repartent III- MESURE D'UNE TENSION ET D'UNE INTENSITÉ 31- Mesure d'une tension a- On mesure une tension avec un votmètre b- On branche e votmètre en dérivation en utiisant es bornes V et du mutimètre 32- Mesure d'une intensité a- On mesure une intensité avec un ampèremètre b- On branche 'ampèremètre en série en utiisant es bornes ma (ou 10A) et du mutimètre V M A La borne du mutimètre est toujours orientée vers e pôe du générateur de manière à mesurer une vaeur positive. TS spéciaité T3S2A conducteurs ohmiques NEW 5/7
6 Partie II : Conducteurs ohmiques : ça chauffe!!! 1a- Pour faire varier a tension aux bornes du fi résistif, on peut utiiser un rhéostat ou faire varier a tension directement au niveau du générateur. 1b- + - V A On va mesurer pusieurs vaeurs de I quand on fait varier U. ensuite, on va tracer a caractéristique U = f(i) 2 Mesures en TP 3a- 3b- D après es caractéristiques représentées, pour tout fi résistif, intensité du courant I qui e traverse est proportionnee à a tension U à ses bornes et donc obéit à a oi d Ohm (U = R I), donc un fi résistif peut être considéré comme un conducteur ohmique. 4a- Pour déterminer a résistance de chaque fi résistif, i faut déterminer e coefficient directeur (a pente) de chaque droite de caractéristique. (voir tabeau ci-dessous) 4b- En utiisant un ohmmètre, es vaeurs mesurées des résistances sont très proches de cees déterminées par étude des caractéristiques (voir tabeau ci-dessous). Identification résistances Nature Diamètre (en m) Longueur (en m) R (mesurées à 'aide de a caractéristique) R (mesurée avec un ohmmètre) R (noir) Nichrome 1, , ,0 Ω 7,1 Ω R (jaune) Nichrome 3, , ,9 Ω 2,1 Ω R (beu) Nichrome 3, , ,7 Ω 6,9 Ω R (rouge) Nichrome 5, , ,8 Ω 2,9 Ω TS spéciaité T3S2A conducteurs ohmiques NEW 6/7
7 5a- La résistance d un fi résistif sembe dépendre : de sa ongueur ; de sa section ; 5b- La reation qui traduit a vaeur de résistance est : R= ρ S En effet, ee traduit que a vaeur de a résistance R augmente quand a ongueur du fi augmente et que a vaeur de R diminue quand a vaeur de sa section S (donc son diamètre) augmente. 6a- Or randeur R Dimension Ω S L² ρ= R S donc L (dim[r ]) (dim[s]) dim [ρ]= = ΩL 2 =Ω L Donc unité de a résistivité ρ est Ω.m. dim [] L 6b- On cacue es vaeurs de résistivité pour es différents fis à 'aide de a reation ρ= R S Identification résistances Nature Diamètre (en m) Section (en m²) Longueur (en m) R (mesurées à 'aide de a caractéristique). ρ (en Ω.m) R (noir) Nichrome 1, , , ,0 Ω 1, R (jaune) Nichrome 3, , , ,9 Ω 1, R (beu) Nichrome 3, , , ,7 Ω 1, R (rouge) Nichrome 5, , , ,8 Ω 1, L aure de a caractéristique tension-intensité d un conducteur ohmique est une droite qui passe par origine et qui traduit une reation de proportionnaité entre es deux grandeurs éectriques. 8- Le dégagement de chaeur produit par utiisation de fis résistifs dans un siège chauffant est dû notamment à a résistivité de aiage utiisé pour concevoir e fi résistif qui freine e dépacement des éectrons ibres dans e matériau et de façon généra de a ongueur et de a section du fi. C'est 'effet Joue : P J = U I = R I² (car U = R I) 9- Un fi résistif doit avoir une ongueur importante, une section faibe et une résistivité pas trop petite. TS spéciaité T3S2A conducteurs ohmiques NEW 7/7
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