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Thème 3 (Matériaux), Séquence 2. Tle S (Spécialité) LES CONDUCTEURS I – RAPPELS. Q1) Complétez les phrases suivantes : Un conducteur est un matériau qui …………………….. le courant électrique. Le courant électrique est constitué, - dans les métaux ou le graphite, par ……………………………………….…………, - dans les solutions aqueuses, par ………………………………….. On lui associe une grandeur physique appelée ……………………..………………., symbolisée par la lettre ……… et ayant pour unité ……………………... Un conducteur placé dans un circuit à l’aide de deux bornes constitue un ……………………..……………………………………….... Lorsqu'un courant électrique le parcourt, il existe aux bornes de ce conducteur une …………………………………………………….., grandeur physique de symbole ……………. et ayant pour unité …………………………………. Le fonctionnement d'un dipôle est donné par la courbe traduisant les variations de U (tension aux bornes du dipôle) en fonction de I (intensité traversant le dipôle), soit U = f(I) (ou l'inverse) qu'on appelle ……………………………………………………… du dipôle. Un conducteur ohmique est un dipôle qui obéit à la Loi d'Ohm, soit ………………………… ; sa grandeur caractéristique s'appelle sa …………………………………, de symbole ……………………… et ayant pour unité ………………………………………………... Par Effet Joule, tout conducteur possédant une résistance, transfert de l'énergie électrique sous forme ……………………………., ce qui produit ………………………………………… de la température du conducteur et de son environnement. II – ETUDE EXPERIMENTALE DE CONDUCTEURS OHMIQUES (TP). 1. Caractéristique d’un conducteur ohmique. * Montage : il comporte un conducteur ohmique, un générateur qui peut fournir une tension variable entre 0 et 15 V environ. - + A Q2) Sur le schéma ci-contre, indiquez le sens du courant, la flèche-tension représentant la tension positive aux bornes du conducteur ohmique puis les bornes COM des deux multimètres. V K R A B Réalisez le circuit électrique correspondant au schéma. Appelez le professeur pour vérification. * Mesures : Appliquez une tension de +10,0 V aux bornes du conducteur ohmique. Mesurez une valeur approchée de l'intensité du courant sur le calibre le plus grand et déduisez-en le meilleur calibre à utiliser. Notez-le : …………… Réalisez les autres mesures des couples (U, I), pour U variant de 2 en 2 V. Exprimez les résultats avec tous les chiffres affichés par les multimètres. UAB (V) - 10,0 0 + 10,0 I (mA) I (A) Q3) A partir de deux couples de valeurs judicieusement choisis, faites une hypothèse sur la relation entre l'intensité et la tension, puis sur la fonction UAB = f(I), traduisant les variations de U en fonction de I. * Tracé manuel de la caractéristique : Tracez la courbe UAB = f(I), donc des variations de U en fonction de I. Q4) Comment sont placés grossièrement les points ? Tracez la "droite moyenne". * Modélisation mathématique : Q5) Quelle est la fonction mathématique qui permet au mieux de modéliser cette courbe ? Pourquoi ? Pour déterminer la valeur du coefficient directeur, choisissez un point quelconque P sur la droite moyenne, mais éloigné de l'origine, relevez les coordonnées IP et UP de ce point et calculez la valeur du coefficient directeur en précisant son unité. * Exploitation à l'aide du tableur-grapheur Régressi. Ouvrez le logiciel Regressi (raccourci présent sur le bureau). Saisissez les couples de valeurs (I, U). Faites tracer la courbe UAB = f(I). Appelez le professeur pour vérification. Faites « Modéliser » par le logiciel, notez l'expression littérale de la fonction la plus adaptée et relevez la valeur numérique du paramètre. Notez "l'écart modèle expérience". Q6) Les deux exploitations sont-elles cohérentes ? On pourra calculer l'écart relatif entre les deux coefficients, celui déterminé "à la main" et celui proposé par le logiciel. Thème 3 (Matériaux), Séquence 2. Tle S (Spécialité) * Loi d'Ohm et résistance Q7) Montrez que le modèle précédemment établi correspond à la loi d'Ohm. Q8) Quelle est, en , la valeur déterminée expérimentalement de la résistance du conducteur ohmique étudié ? 2. Mesure d'une résistance à l’ohmmètre. Défaites le montage. Choisissez la fonction ohmmètre du multimètre et le calibre correspondant à la valeur attendue. Reliez les deux bornes du conducteur ohmique aux entrées COM et et lisez la valeur affichée. Q9) Les deux valeurs sont-elles compatibles ? L III – LA RESISTIVITE DES MATERIAUX. S 1. Mise en évidence. Un simple fil peut être considéré comme un cylindre très fin de section S et de longueur L. Différentes mesures de résistances R réalisées pour des longueurs et des sections différentes montrent que : - la résistance augmente avec la longueur L ; - la résistance diminue lorsque la section augmente ; - à longueur et section identique, la résistance dépend de la nature du matériau. Voici plusieurs relations possibles pour la résistance, désignant une grandeur caractéristique du matériau appelée "résistivité" : R = .S.L R = .S/L R = .L/S Q10) Montrez qu'une seule de ces expressions est compatible avec les résultats expérimentaux. Q11) Déduisez-en l'unité de la résistivité . 2. Généralisation. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… 3. Résistivité et température * Mise en évidence expérimentale : On utilise une plaque de platine placée au bout d'une sonde. Mesurez à l’ohmmètre la valeur de sa résistance sur le calibre 2 kΩ (si elle varie, en prendre une valeur très approchée). Tenez le dipôle entre vos doigts pendant une minute pour le placer à température plus élevée. Q12) Comment varie la résistance ? Laissez le dipôle se refroidir à l'air. Q13) Comment varie la résistance ? Q14) Déduisez-en une propriété de la résistivité du platine. On admettra que ce résultat se généralise à tous les conducteurs de façon plus ou moins importante. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… * Interprétation microscopique "classique" : "Lors de leur déplacement, les électrons sont freinés dans leur mouvement par des chocs multiples." Q15) Rappelez quelle est l'interprétation microscopique de la température. Déduisez-en une interprétation microscopique des variations de la résistivité d'un matériau conducteur en fonction de la température. Interprétez également l'Effet Joule. IV – LES SUPRACONDUCTEURS. En 2011, la communauté scientifique a fêté le centenaire de la découverte de la supraconductivité. A cette occasion, un site de vulgarisation a été créé : http://www.supraconductivite.fr/fr/index.php Consultez dans la rubrique « Supraconductivité », les sous-rubriques « Résistance nulle » et « Explication ». Consultez aussi la rubrique « Applications », puis répondez aux questions ci-dessous : Q16) Quand a été découvert le phénomène de supraconductivité ? Q17) Le décrire en quelques mots. Q18) Peut-on interpréter ce phénomène par la Physique "classique" ? Pourquoi ? Q19) Quand et par quelle branche de la Physique, ce phénomène a-t-il été interprété pour les métaux ? Q20) Citez trois applications actuelles de la supraconductivité.
