Fiche N°3 Activité

FICHE N°3 Activité
Comment utiliser l’électricité pour chauffer la matière ? Qu’est-ce
qu’une résistance électrique ?
Objectifs
La vision mécanique du déplacement des charges constitue, par rapport à ce que les élèves ont vu au
collège, l’élément qualitativement nouveau qui doit leur permettre d’accéder à une meilleure
compréhension des phénomènes électriques, en les reliant à d’autres types de phénomènes. Cette vision
permet avant tout de donner un sens aux concepts de courant et d’intensité de celui-ci. Nous nous
proposons de montrer ici que cette vision permet, moyennant un raisonnement simple effectué sur un
modèle mécaniste de la conduction électrique, de comprendre, dans le cas de l’effet Joule, comment
s’opèrent dans le circuit les transferts d’énergie électrique du générateur vers les récepteurs et de donner
du sens aux effets thermiques.
Nous réactivons ici le modèle microscopique déjà rencontré de la conduction dans les métaux (cf. fiche
N°1). Nous montrons que ce modèle permet d’interpréter les effets thermiques du courant électrique en
prévoyant la forme de la loi de Joule et nous vérifions expérimentalement cette loi (ce qui contribue encore
à la validation du modèle).
Omniprésence de l’effet Joule
Durant les jours qui précèdent la séance, les élèves ont été invités par l’enseignant à se documenter sur
« l’effet Joule , ses manifestations, ses applications et ses inconvénients».
Au début de la séance, une courte discussion est organisée autour des documents trouvés et des questions
posées par les élèves. L’objectif de cette discussion est de montrer l’omniprésence de l’effet Joule et de
faire ressortir son importance dans la vie quotidienne aussi bien par ses applications que par ses
inconvénients.
A la fin de la discussion le professeur interroge les élèves :
Quelle est la cause de l’effet Joule ? Comment vous expliquezvous cet effet ?
Le questionnement se poursuit autour des idées des élèves. Leur vision microscopique du courant est
sollicitée par l’enseignant et discutée en référence à ce qui a déjà été vu en classe (cf. Fiche N°1 :
interprétation microscopique de l’intensité du courant, de la tension et de la puissance électrique. )
Le professeur donne aux élèves le modèle microscopique de l’effet Joule schématisé ainsi :
Un circuit électrique en courant continu est un réseau de conduites, fermé sur lui-même,
dans lequel le courant de « fluide électrique » dépend d’une part du générateur qui produit
et entretient le mouvement des charges et d’autre part de l’ensemble des éléments
résistants disposés le long du circuit. Cette résistance peut être assimilée à un frottement 1
des charges contre le réseau d’ions dans lesquelles elles se déplacent, et ce frottement
conduit tout naturellement à une augmentation locale de l’énergie interne du conducteur
et à une augmentation de sa température C’est ce qu’on appelle l’effet Joule.
Le professeur peut expliquer ce frottement par les chocs des électrons contre le réseau d’ions positifs. Le mouvement
d’ensemble des charges poussées par le générateur s’accompagne ainsi de la mise en vibration des ions : la température
s’élève.
1
23
Le professeur évoque alors le résultat obtenu concernant l’interprétation microscopique du transfert
d’énergie électrique dans une portion AB de conducteur (cf. fiche N°1). Il rappelle les expressions obtenues
pour l’intensité, la puissance et la tension :
I
Q
 nqSv
t
U AB 
F . AB
q
et
P = UAB.I
dans lesquelles, S est la section du conducteur AB, q la valeur de la charge élémentaire, v la vitesse des
charges et F la valeur de la force transmise par le générateur aux charges mobiles.
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F
Si les charges n’accélèrent pas sous l’effet de la force électrique, c’est que dans leur déplacement elles
subissent de la part du réseau d’ions un frottement qui compense la force électrique (application du principe
de l’inertie).
réseau
R
générateur
G
charge
mobile
C
FG/C
FR/C
Les forces exercées sur la charge par le générateur et par le réseau d’ions sont donc opposées


FR / C  FG / C donc FR / C  FG / C  F
Hypothèse concernant le modèle :
Supposons cette force de frottement proportionnelle à la vitesse ; c’est-à-dire
En reportant cette valeur dans l’expression générale de la tension, on obtient :
F . AB v. AB

q
q
Compte tenu de I  nqSv , il vient
 I
. AB
U AB 
AB 
I
q nSq
nSq ²
U AB 
24
F= v
Le coefficient
. AB
nSq ²
est appelé résistance R du conducteur AB.
On en déduit les résultats suivants :
U AB  RI (loi d’Ohm)
R

AB
(avec  
résistivité du conducteur) 2.
S
nq ²
Pendant t, Le conducteur AB (conducteur ohmique) reçoit donc l’énergie électrique
W = R.I².t et la puissance de ce transfert est P = R.I²
Vérification expérimentale des résultats obtenus
Le professeur fait alors remarquer que la démonstration ci-dessus repose sur une hypothèse concernant les
frottements (F=v) qu’il convient de vérifier expérimentalement.
Si l’hypothèse est bonne, les relations précédentes doivent être satisfaites.
Validation expérimentale de l’hypothèse (et donc du modèle
microscopique).
Elle se fera essentiellement sur la loi de Joule.
Un calorimètre muni d’une résistance chauffante contient
une certaine quantité d’eau.
Si le modèle est valide, l’élévation de température T
mesurée pendant des tempst égaux doit être
proportionnelle au carré de l’intensité du courant.
mA
rhéostat
Les élèves munis du matériel et du schéma du montage
doivent élaborer le protocole expérimental. La mise en
œuvre de ce protocole conduit à la validation de la loi de
Joule (T est proportionnelle à I² ).
Cette méthode simple a l’avantage de ne pas nécessiter de
calcul d’énergie et donc de ne pas prendre en compte la
capacité thermique du calorimètre et de ce qu’il contient.
Interprétation énergétique de l’effet Joule
Le conducteur ohmique, qui reçoit l’énergie WR voit son énergie interne s’accroître. cette augmentation de
l’énergie interne se manifeste ici par une augmentation de la température : le conducteur ohmique
s’échauffe.
S’il n’est pas isolé, il cède alors à l’environnement une énergie Qc (transfert thermique), du fait de la
différence des températures entre celui-ci et celui-là. Le diagramme d’énergie est alors le suivant :
2
Ce résultat a déjà été vérifié en chimie en conductimétrie sous la forme
25
G 
S
L
Charges
mobiles
WR
U (T)
Qc
U (To)
environnement
(To)
Conducteur
ohmique
Lorsque WR = Qc la température du conducteur ohmique se fixe à une valeur constante. Toute l’énergie
reçue du générateur par le conducteur ohmique est intégralement cédée à l’environnement par transfert
thermique. Un régime permanent de fonctionnement est atteint : la température du conducteur ohmique est
stabilisée à une valeur T>To.
Compétences testées (cf. BO N°7 du 31 08 2000)
Compétences expérimentales et manipulatoires





Proposer une expérience susceptible de valider ou d’invalider un modèle théorique.
Elaborer une démarche.
Analyser des résultats expérimentaux.
Formuler un résultat, conclure.
Exprimer un résultat avec un nombre de chiffres significatifs compatible avec les conditions de
l’expérience.
Compétences transversales



Trier des informations.
Utiliser le vocabulaire scientifique.
Effectuer une recherche documentaire.
26