La résistance _Document professeur

Document du professeur 1/6
Niveau 4ème
Physique - Chimie
La «résistance»
Quelle est l’influence d’une «résistance» dans un circuit
électrique série ?
Programme
B. Les lois du courant continu
B2. Un dipôle : la résistance
Cette séance expérimentale illustre la partie de programme ci-dessous, parue dans l'annexe IV à l'arrêté du 6
avril 2007 publié au BO hors série n° 6 du 19 avril 2007, afin de tenir du socle commun de connaissances et
de compétences au collège ( B.O. n° 29 du 20 juillet 2006).
Connaissances
Capacités
Exemples d'activités
LA « RÉSISTANCE »
Quelle est l’influence d’une « résistance » dans un circuit électrique série ?
Pour un générateur donné, dans un
circuit électrique série :
. l’intensité du courant électrique
dépend de la valeur de la
«résistance» ;
. plus la «résistance» est grande,
plus l’intensité du courant
électrique est petite ;
. l’intensité du courant ne dépend
pas de la place de la «résistance».
L’ohm (Ω) est l’unité de résistance
électrique du SI.
Observer expérimentalement
l’influence de la résistance électrique
sur la valeur de l’intensité du courant
électrique.
Utiliser un multimètre en ohmmètre.
À partir d’un questionnement, aboutir
à la mesure de l’intensité d’un courant
électrique traversant des «résistances»
différentes alimentées par un même
générateur dans un circuit série.
Utilisation d’un multimètre en
ohmmètre.
Pré requis de l’élève
o L’élève sait utiliser un ampèremètre.
o L’élève connaît l’unité de résistance électrique.
Mots clés
o Résistance
o Intensité
o Ampèremètre
o Multimètre
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o Ohmmètre
o Fusible
o Lampe
La «résistance» (page 1)
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Prévoir : Matériel
Poste élève
Platine de câblage
Multimètre
Composants : Douille culot E10
Interrupteur
Cavalier ou shunt
Résistance de 47 Ω
Résistance de 1000 Ω
Lampe 12 V, 50 mA
Fusibles 800 mA, 1 A, 2 A
Le fusible 1 A doit avoir été détruit auparavant
pour que l’on aperçoive bien le fil cassé.
Référence
10338
02582
10270
10273
10272
10355
10255
03704
02355-02356-02358
Remarques, astuces
o Le professeur veillera à étiqueter les deux « résistances » R1 et R2.
o Lors des mesures à l’ohmmètre des valeurs des résistances R1 et R2, le professeur pourra faire
comparer les valeurs trouvées avec celles obtenues en utilisant le code des couleurs.
o Pendant toute l’année, les fusibles usagers sont à récupérer afin d’en posséder suffisamment le jour de
la séance expérimentale.
Prolongements
o Sécurité : les fusibles
Les fusibles le plus simples étaient jadis constitués par un fil de plomb en contact avec l’air extérieur.
On voit de moins en moins de fusibles « à l’air libre » d’autant que l’emploi du plomb pour cet usage est
interdit. Les fusibles actuels sont le plus souvent constitués d’un fil d’alliage spécial (bismuth - étain) à
l’intérieur d’un cylindre en céramique (on les retrouve dans les prises, sur certains tableaux électriques, etc..)
ou encore dans un cylindre en verre (utilisés dans les circuits électroniques). Le calibre d’un fusible dépend de
la section du fil.
Il y a deux familles de fusibles :
- les rapides marqués « F » qui fondent de suite et
sont formés d’un simple fil [(1) ci-contre]
- les retardés ou temporisés marqués « T ou D»
qui sont un peu plus lents à réagir et sont formés
d’un fil simple ou spiralé [(2) ci-contre]
(Ci-contre quelques fusibles)
Pour la séance expérimentale, prévoir des fusibles sur lesquels l’intensité maximale admissible est bien
indiquée (800 mA, 1 A, 2 A) et dont au moins l’un (celui calibré à 1 A par exemple) soit « grillé ».
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La «résistance» (page 2)
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De nos jours, les fusibles sont avantageusement remplacés par les disjoncteurs thermiques ré-armables. Le
courant électrique traverse le disjoncteur où des spires de fil chauffent par effet Joule un bilame.
Si l'échauffement devient trop important, le bilame se déforme et appuie sur un levier qui déclenche
l’ouverture du circuit. Le disjoncteur est ré-armable signifie qu’il est prévu pour ne subir aucune détérioration
lors de son fonctionnement contrairement au fusible : lorsque le bilame refroidit, le circuit peut se refermer en
agissant sur le levier précédent qui rétablit la circulation du courant.
Il existe aussi des disjoncteurs électroniques ré-armables ou encore "auto ré-armables" de part leur
constitution physique (thermistances à coefficient de température positif CTP). Cependant l'utilisation du
fusible reste avantageuse lorsqu'un fort pouvoir de coupure est nécessaire sous un volume réduit.
o Histoire des sciences : la supraconductivité
La supraconductivité est la propriété que possèdent certains matériaux de conduire le courant électrique sans
résistance à condition que la température soit inférieure à une certaine valeur appelée température critique
(Tc).
Elle fût mise en évidence en 1911. Gilles Holst, un élève du laboratoire du physicien hollandais Kamerlingh
Onnes, découvrit qu’à une température inférieure à -268,8°C (4,25 K) le mercure présentait une résistance
nulle, observation particulièrement intéressante puisqu’elle permettait d’imaginer des courants qui
circuleraient sans résistance et donc sans dissipation de chaleur.
De très nombreux matériaux sont supraconducteurs. A titre de comparaison, le plomb devient
supraconducteur à -266°C et l’aluminium à -272°C.
Les matériaux supraconducteurs permettent de faire circuler des courants très intenses pouvant créer de
puissants champs magnétiques dont les applications sont les trains ou métros à sustentation magnétique,
l’IRM, …
o Conducteur ohmique et « résistance »
Un conducteur ohmique est un dipôle qui respecte idéalement la loi d’Ohm, c'est-à-dire pour lequel tension et
intensité sont toujours dans la même relation de proportionnalité.
Les dipôles vendus sous le nom de « résistance » sont conçus pour être assimilable à des conducteurs
ohmiques dans une large plage d’utilisation : dissipant à l’extérieur l’énergie que leur fournit le générateur, ils
conservent une résistance constante à température constante.
Pour distinguer le dipôle – objet physique - de sa propriété physique, il a été décidé, dans ce cours, de le
nommer « résistance » (avec guillemets) par opposition au mot résistance (sans guillemets) qui représente sa
propriété physique de résister au passage du courant électrique.
Il ne faut pas systématiquement associer le mot « résistance » à la dénomination « conducteur ohmique ».
Ainsi, par exemple, le filament d’une lampe à incandescence qui est une « résistance » n’est pas un
conducteur ohmique étant donné que sa caractéristique n’est pas une droite passant par l’origine !
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En effet, la résistance du filament d’une lampe
à incandescence n’est pas constante, elle
augmente fortement avec la tension qui
provoque son échauffement.
Elle suit la loi R = R0 ( 1 + a.θ)
- R0 étant la valeur de la résistance à 0°C
- θ étant la température en °C
- a étant le coefficient de température du métal
du filament. Pour les métaux purs, a est souvent
voisin de 1/273 °C-1.
Cependant on peut calculer pour un point donné
de la caractéristique la résistance en ce point du
filament en appliquant la loi d’Ohm : UR = R.IR.
La valeur trouvée varie, bien entendu, avec le
point choisi.
Pistes d’évaluation
I Note expérimentale
Branchement de l’ohmmètre
++
Choix du calibre de l’ohmmètre
++
Remplissage du tableau de mesures (avec les unités) activité 2
++
Préparation de l’ampèremètre
++
Réalisation du montage activité 2
++
Remplissage du tableau de résultats, activité 3
+++
Rangement du matériel
++
Note expérimentale
/15
II Note théorique
Schématisation
1 points
Conclusions
4 points
Note théorique
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/5
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Nom :
Prénom :
Classe :
Date :
Physique - Chimie
La «résistance»
Approche expérimentale de la «résistance» électrique
Objectifs
o Mesurer des «résistances» à l’ohmmètre.
o Etudier l’influence d’une «résistance» dans un circuit.
o Comprendre le rôle d’un fusible.
Consignes de sécurité
o Le branchement du générateur sur le secteur sera réalisé par le professeur.
ACTIVITE 1 : Mesurer des « résistances » à l’aide d’un ohmmètre
a. Mettre le multimètre en fonction ohmmètre ; pour
cela :
* placer le sélecteur dans la zone Ω sur le calibre le
plus grand possible (souvent 20 M Ω) ;
* brancher deux fils de connexion sur le multimètre,
l’un sur la borne COM, l’autre sur la borne V/ Ω.
b. Brancher la première « résistance» (R1) aux bornes
de l’ohmmètre.
Diminuer le calibre, si cela est possible, jusqu’à
obtenir la mesure la plus précise.
Attention : si la valeur « 1. » s’affiche, cela signifie que la valeur de résistance est supérieure au calibre
utilisé.
Il faut alors placer le sélecteur sur un calibre plus grand.
Reporter la valeur de R1 dans le tableau ci-dessous après avoir appelé le professeur.
c. Faire de même avec la «résistance» R2.
R1
Valeur de la résistance 47 Ω
R2
1000 Ω
d. Comparer les valeurs relevées avec l’ohmmètre avec celles obtenues en utilisant le code des couleurs et
conclure.
Les valeurs sont très proches les unes des autres.
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La «résistance» (page 5)
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Activité 2 : étude de l’influence d’une «résistance» dans un circuit électrique
1. Influence de la valeur de la «résistance»
Mettre à présent le multimètre en fonction ampèremètre continu, sur le calibre 200 mA.
a. Réaliser un montage en série comprenant un générateur, une lampe (12V-50mA), un interrupteur ouvert
et l’ampèremètre.
Appeler le professeur pour faire vérifier le montage.
- Relever l’éclat de la lampe ainsi que la valeur de l’intensité du courant électrique dans le circuit.
- Reporter les résultats dans le tableau ci-dessous.
b. Ouvrir le circuit et ajouter dans le circuit la « résistance » R1 en série.
- Réaliser dans le cadre ci-après le schéma du montage.
Schéma du montage
- Relever l’éclat de la lampe ainsi que la valeur de l’intensité du courant électrique dans le circuit.
- Reporter les résultats dans le tableau ci-dessous.
c. Remplacer ensuite R1 par R2 et finir de compléter le tableau.
Tableau de résultats :
Montage
Sans «résistance»
Avec R1
Avec R2
Eclat de la lampe
Normal
Faible
Eteinte
Intensité du courant
51,7 mA
46,5 mA
12 mA
Conclusion (à compléter).
Quand on ajoute une «résistance» dans un circuit en série, l’intensité du courant diminue.
Plus la résistance ajoutée est grande, plus l’éclat de la lampe est faible.
Plus la résistance ajoutée est grande, plus l’intensité du courant sera petite.
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La «résistance» (page 6)
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2. Influence de la place de la «résistance»
- Reprendre le montage précédent. Circuit ouvert, permuter la lampe et la «résistance».
- Mesurer la valeur de l’intensité du courant électrique dans le circuit. Comparer cette valeur à celle trouvée
précédemment. Que remarquez-vous ?
Elles sont identiques.
Conclusion (entourer les mots exacts)
Dans un circuit en série, l’intensité du courant électrique dépend / ne dépend pas de la place de
la «résistance».
Activité 3 : Le fusible, une «résistance» particulière
Symbole normalisé :
Photographies d’un fusible à fil simple et d’un fusible à fil spiralé
Un conducteur traversé par un courant électrique s’échauffe ; ce phénomène, appelé « effet Joule », est
exploité dans les fusibles.
Le fusible est constitué d’un matériau dont la résistance croît avec la température comme c’est le cas pour de
nombreux métaux. L’augmentation de l’intensité dans le circuit et celle de la résistance sont la cause d’un
dégagement de chaleur suffisant pour faire fondre le fusible et ainsi ouvrir le circuit.
Quand un appareil électrique présente un défaut de fonctionnement, il peut apparaître un courant électrique
d’intensité trop importante dans le circuit auquel il est relié. Cette augmentation d’intensité provoque un
échauffement des fils et il y a risque d’incendie. Il faut alors pouvoir ouvrir automatiquement et rapidement le
circuit. Pour cela, on emploie dans les installations électriques des fusibles, qui sont montés en série avec
chaque appareil.
Examiner les fusibles qui se trouvent à votre disposition et compléter le tableau suivant :
Intensité pour laquelle le fil
conducteur fond
Fusible 1
Fusible 2
Fusible 3
800 mA
1A
2A
Le fil du fusible est-il fondu ?
Non
Oui
Non
Dans le cas du fusible 2 pour quelle raison le fil le constituant a-t-il fondu ?
Le fil constituant le fusible a été détruit par un trop fort échauffement dû à un courant électrique d’intensité
supérieure à 1 ampère.
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