ALIMENTATIONS ELECTRIQUES LOI D OHM SECURITE ELECTRIQUE PANNEAU ELECTRIQUE ELEMENTAIRE Ce document est un condensé de «Comment faire de l électricité en 4 ème secondaire quand on n est pas physicien?» (J. Plumat 1, Y. Verbist-Scieur 2, M. Dontaine 3, L. Zanotto 4 ) 1. Des alimentations électriques faciles à utiliser Disposer d une alimentation électrique et d appareils de mesure pour réaliser des expériences d électrocinétique semble être un minimum. Cependant, le coût du matériel didactique est (souvent) prohibitif, à tel point que beaucoup d enseignants ne peuvent parfois disposer de ce minimum Cette fiche propose quelques alternatives à l achat de matériel didactique onéreux. Concernant les alimentations électriques, on peut acheter, à moindre coût, des accumulateurs (des «piles» rechargeables) de forte capacité (3500 mah et plus pour une tension de 1,2 volt). Des batteries de moto (6 volts 5 à 10 Ah), de voiture (12 volts 40 à 80 Ah) ou de camion (24 volts 100 à 200 Ah) permettent en plus de disposer d un ampérage parfois très important (plus de 15 ampères en continu). Si la manipulation de telles batteries ne pose pas de problème (mis à part le poids), il convient de ne pas les mettre en court-circuit sous peine de les rendre inutilisables! On peut également se procurer pour un coût modique un chargeur de batterie qui permettra la plupart du temps de réaliser toutes les expériences nécessaires en électrocinétique. Enfin, l achat d une alimentation électrique chez un fournisseur de matériel électronique s avèrera toujours moins coûteux que si vous le commandez chez une firme de matériel didactique. Pour les appareils de mesure, sans hésiter, privilégiez les multimètres qui peuvent simultanément mesurer tant en courant continu qu en courant alternatif ; la tension électrique (la différence de potentiel), l intensité du courant, la valeur des résistances, la capacité des condensateurs, et parfois même la température. Une expérience d introduction au cours d électricité doit montrer même qu une faible tension peut générer des effets parfois spectaculaires. Nous vous proposons l expérience suivante : prendre un fil fin en nickelchrome (provenant d un vieux grille-pain par exemple) que l'on tend entre 2 statifs. 1 Université catholique de Louvain et Haute Ecole Roi Baudoin à Mons, jim.plumat@herb.be 2 Université de Namur et Institut Saint-Louis à Namur, yvonne.verbist@fundp.ac.be 3 Université de Namur et Athénée Royal François Bovesse de Namur, matthieu.dontaine@fundp.ac.be 4 Université de Namur et Institut Saint-Joseph à Saint-Hubert, laurent.zanotto@fundp.ac.be 1
L Voltmètre 25 A mpéremètre 2,6 Générateur de courant Le montage proposé, outre l intérêt de présenter un effet spectaculaire et d être visible par tous, donne quelques ordres de grandeurs intéressants à présenter aux élèves. On utilisera deux multimètres, l'un pour mesurer la tension (placé en parallèle), l'autre (placé en série) mesure l intensité du courant. Si on applique une tension d une vingtaine de volts (suivant la longueur L du fil), on remarque que plus on réduit la longueur L du fil NiCr, plus l'intensité du courant augmente et le fil devient de plus en plus rouge. Si on réduit trop la longueur, et donc la résistance, on peut même en arriver à faire fondre le fil. Effet garanti! 2. Découverte expérimentale de la loi d Ohm a) Matériel une alimentation basse tension deux multimètres des ampoules (12 V) de phare de voiture (P21W, P21/5W ou R2 45/40W) des fils de connexion b) Expérience Relever les mesures de l intensité I du courant pour différentes valeurs de la tension U appliquée aux bornes de l ampoule. Rassembler les résultats des mesures dans un graphique et analyser celui-ci. 2
Intensité (A) Intensité (A) RESEAU DE NAMUR c) Résultats expérimentaux 4,00 I=f(U) - ampoule 12 V de 40 W 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 2,00 4,00 6,00 8,00 1 12,00 14,00 Notons que, dans le cas d une ampoule qui chauffe, la partie linéaire du graphe est assez réduite. Si on reproduit la même expérience avec un résistor classique, le domaine de variation linéaire est nettement plus étalé. Dans les graphes suivants, nous avons sélectionné uniquement les points expérimentaux de la partie linéaire. 0,80 I=f(U) dans la zone linéaire - ampoule 12 V de 40 W Droite de régression (r=0,996) 0,70 0,60 0,50 0,40 I=2,09xU R=1/2,09=0,478 0,30 0,05 0,15 0,25 0,30 0,35 0,40 d) Expérience : recommencer la procédure avec différentes ampoules. 3
Intensité (A) RESEAU DE NAMUR Comparaison des parties linéaires - ampoules 12 V de 5 W, 21 W et 40 W 0,80 0,70 0,60 0,50 Ampoule 12 V / 40 W I=2,09xU R=1/2,09=0,478 0,40 0,30 Ampoule 12 V / 21 W I=1,34xU R=1/1,34=0,746 Ampoule 12 V / 5 W I=0,291xU R=1/0,291=3,44 0,05 0,15 0,25 0,30 0,35 0,40 e) Conclusion L opposition d un conducteur au passage du courant est sa «résistance électrique», on la note R. On obtient sa valeur en calculant la pente de la droite dans le graphique I f ( U ). I cste U ; l inverse de cette constante est la résistance R. U Loi d Ohm : I R. Dans le système international des unités, la résistance s exprime en ohm ; symbole Ω. N.B. La puissance de l ampoule est inférieure à celle indiquée par le fabriquant pour toute tension différente de la tension nominale. f) Pour aller plus loin Certaines ampoules automobiles sont composées de deux filaments (par exemple le modèle P21/5W) : un filament pour les feux de position et l autre pour les feux stop. Il est possible de faire briller chacun des filaments individuellement ou de manière groupée. En utilisant ce type d ampoule, il est possible de vérifier les lois de groupement des résistances. 4
Intensité (A) Intensité (A) Intensité (A) Intensité (A) RESEAU DE NAMUR Valeur de la résistance des filaments (utilisation de la méthode présentée précédemment). 0,070 I=f(U) dans la zone linéaire - filament de 5 W Droite de régression (r=0,994) 0,060 0,050 0,50 I=f(U) - ampoule 12 V filament de 5 W 0,040 0,030 Ampoule 12 V / 5 W I=0,291xU R=1/0,291=3,44 0,40 0,30 0,020 0,010 2,00 4,00 6,00 8,00 1 12,00 14,00 0 0,05 0,15 0,25 La résistance vaut donc 1 R 5W 3,44 soit 3,4 en tenant compte des chiffres significatifs. 0,291 I=f(U) dans la zone linéaire - filament de 21 W Droite de régression (r=0,999) 0,25 0,15 Ampoule 12 V / 21 W I=1,34xU R=1/1,34=0,746 1,80 1,60 1,40 I=f(U) - ampoule 12 V filament de 21 W 1,20 1,00 0,80 0,60 0,05 0,40 2,00 4,00 6,00 8,00 1 12,00 14,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,12 0,14 0,16 0,18 1 La résistance vaut donc R 21W 0,746 soit 0,75 en tenant compte des chiffres significatifs. 1,34 5
Intensité (A) Intensité (A) RESEAU DE NAMUR Lorsqu on applique la tension entre les bornes 1 et 2 de l ampoule, les deux filaments sont connectés en série. I=f(U) dans la zone linéaire - filaments en série Droite de régression (r=0,999) 0,08 0,06 0,04 I=0,251xU R=1/0,251=3,98 0,40 0,30 I=f(U) - ampoule 12 V et filaments en série 0,02 2,00 4,00 6,00 8,00 1 12,00 0,05 0,15 0,25 0,30 0,35 0,40 La résistance mesurée du groupement vaut donc des chiffres significatifs. 1 R 21/5 en série 3,98 soit 4,0 en tenant compte 0,251 Analyse des résultats Lorsqu on réalise ce montage, les deux filaments sont placés en série. On peut donc utiliser la loi des associations de résistors en série afin de calculer la résistance du groupement : R R R 3,4 0,75 4,2. série 5W 21W 0,2 Ce qui nous permet de calculer l imprécision relative : i r 100 5%. 4,2 6
3. Deux acteurs de votre sécurité électrique : le fusible et la prise de terre a) Panneau didactique 7
b) Les éléments du panneau La figurine o La silhouette humaine est faite de fils de cuivre de 6 mm² de section soudés ensemble. o Une lampe (6 V / 2,4 W) est connectée au centre de la figurine. Elle brillera pour montrer le passage d un courant électrique dans le personnage. o Un pied du personnage peut être relié à la terre. Le fer à repasser o Il est constitué des mêmes fils de cuivre que la figurine. o Deux bornes (rouge et jaune), à l intérieur du fer, servent à l alimentation de l élément chauffant. o Une ampoule rouge représente l élément chauffant. o Deux bornes (rouge et noire) sur la carcasse du fer : la borne rouge met l élément chauffant en court-circuit avec la carcasse du fer ; la borne noire relie l élément chauffant à la terre. L alimentation o Elle est représentée par trois bornes : la borne rouge est reliée à la borne + du générateur de tension continue ; la borne jaune est reliée à la borne du générateur de tension continue ; la borne noire est reliée à la terre et au fil de terre du panneau. o Remarque : au niveau du générateur de tension continue, la borne et la borne de masse sont reliées ensemble. Ce choix est légitime car, dans la réalité, le câble «neutre» est relié à «la terre» au poste de transformation. Le fusible o Le fusible (1 A) est clipsé sur un porte-fusible relié à deux bornes : la borne de droite (rouge) est reliée à l alimentation + ; la borne de gauche (rouge) est connectée à la borne rouge de l élément chauffant. c) Tableau récapitulatif des différentes situations possibles Personnage Fer à repasser Danger d électrocution Liaison avec la terre Liaison avec la terre Court-circuit (lampe témoin allumée) Non Oui Oui Oui Oui Oui Non Oui Non Non Non Non Non Non Oui Non Non Oui Oui Non Oui Non Non Non Non Non 8
D autres acteurs de votre protection électrique Le disjoncteur principal. Il sert d interrupteur général de l installation en coupant le courant en cas de surintensité (quand un trop grand nombre d appareils fonctionne en même temps). Les disjoncteurs différentiels. Ils coupent le courant en cas de contact accidentel entre le fil de phase et la terre. Remarque : il en existe de deux valeurs : 300 ma et 30 ma (pour les salles d eau). Les fusibles. Disposés sur les fils de phase, ils fondent et coupent ainsi le courant quand l intensité devient trop grande. Exemple : 10 A pour les lignes d éclairage. Remarque : ils sont actuellement remplacés par les disjoncteurs divisionnaires ou fusibles automatiques. La prise de terre. En cas de contact accidentel entre la carcasse métallique d un appareil et le fil de phase, le courant (courant de fuite) est dérivé dans le sol par l intermédiaire de la prise de terre. Les gaines isolantes. En matière plastique, elles protègent les fils électriques. 9
4. Une autre manière pour introduire l électricité a) Matériel Un panneau sur lequel sont disposés : o des ampoules o des interrupteurs o un inverseur o 3 piles de 1,5 V o des fils de connexion b) Tâches Placer correctement les piles dans le montage. Faire briller une ampoule à l aide d une seule pile. Faire briller cette ampoule de plus en plus fort. Dessiner le schéma électrique correspondant à ce dernier montage. Faire briller deux ampoules en même temps de deux manières différentes et dessiner les deux schémas électriques. Faire briller trois ampoules en même temps. Refaire un nouveau schéma ou compléter le premier pour correspondre au montage dans lequel 3 ampoules sont allumées. Identifier les montages en série et en dérivation (parallèle). Lien très intéressant : http://www.article19.com/shockwave/oz.htm. 10