TECHNIQUES EXPÉRIMENTALES Document d accompagnement de la séance de travaux pratiques n o 7. Lois des circuits illustrations

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1 Licence L1 Domaine Sciences, Technologie, Santé Année 2017/ er semestre TECHNIQUES EXPÉRIMENTALES Document d accompagnement de la séance de travaux pratiques n o 7 Lois des circuits illustrations «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 réaliser un montage électrique correspondant à un schéma donné, selon la nomenclature consacrée; 2. d analyser correctement l effet de la mise en série d ampoules et éléments résistifs; 3. de comprendre le fonctionnement d une source de tension et celui d une source de courant; 4. de comprendre les lois qui régissent des associations en parallèle et en série de bipôles. I.2. Documents à lire Pour bien réussir cette séance de travaux pratiques, vous devrez vous référer aux documents de référence suivants : 1. «Mesure et incertitude en physique» 2. «Introduction à Matlab Octave» N oubliez pas de revoir la séance de TP n o 6 ainsi que votre cours. 1. 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 I.3. Document à remettre Pour accéder à la salle de travaux pratiques, vous devrez produire une feuille A4 sur laquelle préciserez bien votre nom et numéro d étudiant.e et vous répondrez aux questions qui se trouvent dans le texte en bleu : sous-section II.2 Valeur nominale sous-section III.1 Prédictions sous-section IV.1 Alimentation stabilisée et source idéale sous-section IV.2 Une lampe unique item 1 Attention, cette préparation nécessite l accès à un formulaire internet et idéalement à une imprimante. Cela sera sans doute délicat à effectuer quelques minutes avant le TP sur son téléphone portable. I.4. 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 sur laquelle est gravé 6V0.1A; 3 résistors dont la résistance nominale 2 vaut 47 Ω ; 1 potentiomètre monté en résistance variable : on peut fixer sa résistance à toute valeur comprise entre 4 Ω et 250 Ω ; un support à composants. En 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 entre eux et utilisez des câbles plus long entre le support à composant et l alimentation. Choisissez leur couleur de façon à ce que le montage soit facilement lisible 3. II. Lampe à incandescence II.1. Un dispositif électrique et lumineux Une lampe à incandescence est dispositif d éclairage bientôt obsolète 4 permet de produire de la lumière. L élément éclairant est mince filament de tungstène, traversé par un courant. Conducteur ohmique, il s échauffe pour élever considérablement sa température, qui peut atteindre voire dépasser 2000 C. Comme tout corps porté à cette température, il émet alors de la lumière, dont les caractéristiques sont approchées par la loi du corps noir. Pour éviter son oxydation, le filament est placé dans une atmosphère inerte, souvent du diazote, parfois un gaz rare comme l argon, que l enceinte de verre, appelée bulbe ou ampoule, permet de confiner. La lampe est placée dans une douille reliée à l alimentation électrique. Le plot, souvent en alliage à base de cuivre, et le culot, souvent en plomb, assurent la qualité du contact électrique. 2. Ici par nominale on signifie que c est le constructeur qui indique la valeur de la résistance. 3. On évitera ainsi de connecter un câble noir à une embase rouge! 4. Les lampes à incandescence ont été inventées à la fin du XIX e siècle. Leur rendement lumineux relativement faible a poussé l Union Européenne à les interdire progressivement à partir de En effet, d autres sources de lumière, au meilleur rendement, aux caractéristiques colorimétriques équivalentes, et avec un temps de vie plus long, ont fait leur apparition depuis quelques années. 2

3 FIGURE 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). II.2. Valeur nominale 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 faut-il 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. Enfin 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 aussi. Sur le culot de l ampoule à filament dont vous disposez, on peut lire le texte gravé 6V0.1A. Ceci signifie que la tension nominale vaut 6 V et que le courant nominal vaut 0,1 A. 1. Que vaut la puissance nominale de cette ampoule? 2. Comparerez cette 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 ou regarder quelles sont les inscriptions sur les ampoules à incandescence qui se trouvent chez vous. 3. Que se passe-t-il à votre avis si on applique une tension légèrement supérieur à la tension nominale à une ampoule? Et si elle est inférieure? 4. Que se passe-t-il à votre avis si on impose un courant légèrement supérieur au courant nominal? Et s il est inférieur? 3

4 III. Analyse de quelques circuits élémentaires Pour appréhender 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 quelques circuits électriques élémentaires, puis dans un second temps les réaliser afin de confirmer, ou infirmer, vos prédictions. Ceci amènera une discussion générale, ce qui permettra d affiner votre intuition à ce sujet. III.1. Prédictions Répondez aux questions sur le site Une fois le questionnaire terminé, vous recevrez un courrier électronique indiquant vos réponses. Imprimez-le et joignezle à votre préparation. À défaut, recopiez à la main les résultats sur votre préparation. Les circuits en jeu sont dans le formulaire sont rappelés ci-après figure 2. L 1 R 0 L 2 E U AB B Circuit n o 1 A Circuit n o 2 L 1 R 0 R var L2 L 3 L 4 R 0 Circuit n o 3 Circuit n o 4 FIGURE 2 Circuits étudiés. III.2. Réalisation expérimentale III.2.1. Premier circuit Votre enseignant.e réalisera pour l ensemble de la classe le circuit n o 1 de la figure 2. Comparer ce que vous observez à vos prédictions théoriques, matérialisées par vos réponses aux deux premières questions. III.2.2. Circuits suivants Régler la consigne de l alimentation stabilisée sur 12 volts et 1 ampère. Vous supposerez qu ainsi elle fonctionne toujours comme une source de tension idéale imposant 12 volts. 4

5 Réaliser successivement les circuits numérotés de 2 à 4. Une nouvelle fois, comparer les observations expérimentales à vos prédictions. Votre enseignant.e fera un résumé des observations et vous amènera à réviser, le cas échéant, vos conceptions initiales. IV. Association de bipôles alimentés par différentes sources IV.1. Alimentation stabilisée et source idéale 1. Comment régler la consigne d une alimentation stabilisée pour s approcher du fonctionnement d une source de courant idéale 5 de 0,1 A. 2. Comment régler la consigne d une alimentation stabilisée pour s approcher du fonctionnement d une source de tension idéale 6 de 6 V. IV.2. Une lampe unique On considère une unique lampe 7, connectée à une source idéale de tension imposant 6 V à ses bornes. E 0 L 0 FIGURE 3 Lampe L 0 branchée seule à la source de tension. 1. Si on branchait la même lampe sur une source idéale de courant, à quelle valeur faudrait-il régler le courant délivré de façon à ce que l éclairement soit identique? 2. Réaliser le schéma de la figure 3, en ayant pris soin de régler correctement l alimentation stabilisée pour imposer une tension de 6 V à ses bornes. 3. Apprécier la luminosité de l ampoule, noter le courant qui circule et la tension appliquée. IV.3. Association de lampes On considère maintenant les quatre schémas de la figure 4, les lampes étant supposées identiques. On suppose que E 0 = 6V pour les sources idéales de tension, et I 0 = 100mA pour les sources idéales de courant. On cherche à comparer l éclairement des lampes au cas précédent d une unique ampoule branchée sur une source idéale de tension (figure 3). 1. Avant toute manipulation, répondez au formulaire pour indiquer vos prédictions quant à l éclairement des ampoules dans les différents montages. 2. Réalisez ces montages en veillant bien à vous trouver dans les bonnes conditions de fonctionnement pour l alimentation. 3. Comparer vos réponses initiales et vos observations. 5. Pour mémoire, une source de courant idéale délivre une intensité constante, quelle que soit la tension à ses bornes. 6. Pour mémoire, une source de tension idéale impose une différence de potentiel fixe à ses bornes, quel que soit le courant qu elle délivre. 7. Il s agit toujours du même modèle de lampe dont la tension nominale est de 6 V et le courant nominal de 0,1 A. 5

6 E 0 I 0 (a) (b) E 0 I 0 (c) (d) FIGURE 4 Les quatre associations possibles de deux lampes, alimentées soit par une source idéale de tension (a, c) soit par une source idéale de courant (b, d). 6