INVESTIGATION De nombreux appareils domestiques, convecteurs, chauffe-biberon, cafetière convertissent l énergie électrique en chaleur. Comment interviennent les grandeurs électriques, tension, intensité, puissance, résistance dans cette conversion? La température du filament mesurée et mémorisée par ce thermomètre Infra-Rouge(IR) est de 285 C. EST-CE POSSIBLE? Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 08/11/13-Habita_U_I_P_Rchauffag.odt-Djl-Page: 1 / 7
MATÉRIEL : ACTIVITÉ_1 Thermoplongeur(2 Fils résistifs), Alimentation régulée (DC) avec affichage de la tension U(V) et de l intensité I(A). Thermomètre Infra-rouge(IR). Relier l intensité, la tension, la lumière émise par le fil chauffé, sa longueur d'onde et la température. Essai en DC puis AC. Rappel de l'exercice 6 «Température et Rayonnement:compétence C5» http://fr.wikipedia.org/wiki/temp%c3%a9rature_de_couleur Filament de thermoplongeur R=4 Ω U(V) I(A) COULEUR Tcourbe (K) θ( C) Thermomètre IR 8, 10, 11, Notice du thermomètre IR : «Réponse spectrale : 8-14µm» ; Emissivité préréglée à 0,95 Sur un autre Thermomètre IR, on relève : «Range -10 C à 300 C» OBSERVATIONS : CONCLUSION : Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 08/11/13-Habita_U_I_P_Rchauffag.odt-Djl-Page: 2 / 7
Activité 2 BILAN ÉNERGÉTIQUE D UN APPAREIL ÉLECTRIQUE SIMPLE MATÉRIEL : Chauffe biberon : Lire les caractéristiques sur le boitier : P(W)= ; U(V) = ; I(A). Éprouvette plastique 100ml. Thermomètre électronique. Chronomètre. Compteur d énergie/puissance électrique. Chiffon. PROTOCOLE : S assurer que le poste est HORS TENSION. Brancher le compteur d énergie sur une prise. Mettre 200ml d eau dans le chauffe biberon, PUIS Brancher le chauffe biberon. Réglage à fond. Préparer un tableau, manuscrit puis au tableur, pour relever t(s), Initialiser le compteur d énergie et le chronomètre. Relever i C =. Mettre sous tension, lancer le chronomètre, relever jusqu à C =50 et couper tout. t(s) C P(W) E(kWh) Qeau(J) m.c EAU. Observations 0,000 i C 0,000 42 50 (J) Calculer les énergies Eu(J), Ea(J) et en déduire Ep(J). Calculer le rendement. Conclure sur les qualités de conversion et de conservation de l énergie du chauffe-biberon. Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 08/11/13-Habita_U_I_P_Rchauffag.odt-Djl-Page: 3 / 7
ACTIVITÉ_3 Les plaques chauffantes, convecteurs, cafetière, Cumulus, plancher chauffant, etc, utilisent des résistances pour convertir l'énergie électrique en chaleur. Dans une plaque chauffante, il existe 3 résistances chauffantes associées judicieusement. NOUS ALLONS SIMULER CETTE PLAQUE CHAUFFANTE AVEC 3 RÉSISTANCES DE PUISSANCE POUR COMPRENDRE COMMENT ASSOCIER CES RÉSISTANCES POUR QUE LA PUISSANCE DE CHAUFFAGE SOIT LA MEILLEURE. BUT : COMPRENDRE LES RELATIONS ENTRE LES GRANDEURS ÉLECTRIQUES, LA PUISSANCE DE CHAUFFAGE ET LA TEMPÉRATURE(Thermomète IR). ÉTUDIER POUR UNE «RÉSISTANCE», LA RELATION ENTRE U(V) ET I(A). RELEVER LES TENSIONS ET COURANT EN RÉGIME ALTERNATIF(AC) ET CONTINU(DC). ÉTUDIER LES ASSOCIATIONS SÉRIE ET PARALLÈLLE(OU DÉRIVATION) DES RÉSISTANCES MATÉRIEL : VOLTMÈTRE AMPÈREMÈTRE OU PINCE AMPÈREMÉTRIQUE ET VOLTMÈTRE ALIMENTATIONS STABILISÉE AC(ALTERNATIVE) ET DC (CONTINUE) OSCILLOSCOPE CLASSE II À MASSE FLOTTANTE. THERMOMÈTRE IR. «RÉSISTANCES DE PUISSANCE» R=100 /5W. Essayer de lire sur les appareils les grandeurs pour R=100Ω/5W : U=, I=, T( C) = U / I =? Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 08/11/13-Habita_U_I_P_Rchauffag.odt-Djl-Page: 4 / 7
1. ASSOCIATION SÉRIE DES RÉSISTANCES : 1.1. TRACER les symboles des appareils de mesure pour mesurer I et U et compléter le circuit électrique à droite. 1.2. HORS TENSION, Câbler le montage et faire vérifier par le professeur. 1.3. AVANT MISE SOUS TENSION DE L ALIMENTATION : Déconnecter le circuit du pôle de l alimentation différent de la masse (+ ICI). L alimentation est alors À VIDE (I=0) 1.4. A VIDE, mettre sous tension l alimentation et régler U. 1.5. CONNECTER le circuit au pôle de l alimentation, et VÉRIFIER L ABSENCE DE COURT CIRCUIT :(U faible, I fort) RELEVER U, I, T( C) des «résistances», calculer P(W), I², U/I, U²/P, P/I². R=100 Loi d OHM U= f(i) =? APPAREILS EN DC U(V) 0 4 8 12 16 20 I(A) T( C) P=U.I (W) Rs=U/I( ) U²/P P/I² I² 1.6. TRACER À L AIDE D UN TABLEUR : U=f(I) ; P=g(I²), T( C)=h(I²), f, g et h sont des fonctions. Rq : ATTENDRE environ 1 entre 2 mesures de température. 1.7. CONCLUSION : Donner la relation expérimentale entre U, R et I. Donner le nom de la loi. Donner la relation expérimentale entre P, R et I². A quoi sert cette puissance électrique? Exprimer Rs, résistance équivalente aux 3 éléments en série en fonction de R. En déduire une loi générale. Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 08/11/13-Habita_U_I_P_Rchauffag.odt-Djl-Page: 5 / 7
2. ASSOCIATION DÉRIVATION OU PARALLÈLE DES RÉSISTANCES : 2.1. EN DC FAIRE LES MÊMES ACTIONS QU AU «1» POUR LES «RÉSISTANCES EN SÉRIE», à partir du schéma ci-contre R=100 Loi d OHM U= f(i) =? APPAREILS EN DC U(V) 0 4 8 12 16 20 I(A) T( C) P=U.I (W) Rd=U/I( ) U²/P P/I² I² TRACER la voie A et la masse de l oscilloscope pour RELEVER u(t). Rd = U/I = Comparer Psérie et Pdérivation(U donné). Quelle est l association qui permet le meilleur chauffage, pour U donné? Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 08/11/13-Habita_U_I_P_Rchauffag.odt-Djl-Page: 6 / 7
2.2. LES 3 «R» ASSOCIÉS EN DÉRIVATION ALIMENTÉES EN AC FAIRE LES MÊMES ACTIONS QU AU «2», à partir du schéma ci-contre : R=100 Loi d OHM U= f(i) =? APPAREILS EN DC U(V) 0 4 I(A) T( C) P=U.I (W) Rd=U/I( ) U²/P P/I² I² Rd = U/I = TRACER la voie A et la masse de l oscilloscope pour RELEVER u(t). RELEVER I1, I2, I3 à la pince ampèremétrique. CONCLUSION : Donner la relation entre U, R et I Exprimer Rs et Rd en fonction de R. Donner une loi générale. Comparer les effets de l alimentation DC et AC. A quoi est proportionnel la puissance de chauffage P? Donner une explication physique à partir d un modèle microscopique. Comment évolue la température et I²? Quelle est l association qui permet, pour U donné, le meilleur chauffage? Donner les avantages et inconvénients de chaque association parallèle ou série. Physique Appliquée-Lycée du Pays de soule 08/11/13-Habita_U_I_P_Rchauffag.odt-Djl-Page: 7 / 7