F3 - Comment utiliser l`électricité pour chauffer la

Electrodynamique – circuit électrique en courant continu
F3
Comment utiliser l’électricité pour chauffer la
matière ?
Qu’est-ce qu’une résistance électrique ?
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. On montre 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.
Le modèle microscopique de la conduction dans les métaux (cf. F1) est réactivé. Ce modèle permet
d’interpréter les effets thermiques du courant électrique en prévoyant la forme de la loi de Joule qui est
vérifiée expérimentalement (ceci contribuant à la validation du modèle).
Omniprésence de l’effet Joule : préparation documentaire
Durant les jours qui précèdent la séance, les élèves peuvent être invités à se documenter sur “ l’effet Joule
, ses manifestations, ses applications et ses inconvénients ”. La séance pourra alors commencer par une
courte discussion autour des documents trouvés et des questions posées par les élèves. On peut montrer
l’omniprésence de l’effet Joule et en faire ressortir son importance dans la vie quotidienne aussi bien par
ses applications que par ses inconvénients.
Questionnement possible
“ Quelle est la cause de l’effet Joule ? Comment expliquez-vous cet effet ? ” Le questionnement se
poursuit autour des idées des élèves. Leur vision microscopique du courant est sollicitée et discutée en
référence à ce qui a déjà été vu en classe (cf. p. 66 : Interprétation microscopique de l’intensité du courant,
de la tension et de la puissance électrique).
On donne un 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 frottement1 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.
On évoque alors le résultat obtenu concernant l’interprétation microscopique du transfert d’énergie
électrique dans une portion AB de conducteur (cf. p. 66). On rappelle les expressions obtenues pour
l’intensité, la puissance et la tension :
I
Q
 nqSv
t
U AB 
F . AB
q
P  U AB .I ,
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
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.
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).
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
réseau
R
F
générateur
G
charge
mobile
C
F
F
F
FR/C
FG/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 F= µv, en reportant cette
valeur dans l’expression générale de la tension, on obtient :
U AB 
F . AB v. AB

q
q
Compte tenu de I = nqSv, il vient :
U AB 
Le coefficient
 . AB
nSq 2
 I
q nSq
AB 
. AB
nSq 2
I
est appelé résistance R du conducteur AB.
On en déduit les résultats suivants : UAB = RI (loi d’Ohm) et  
AB

(avec  
, résistivité du
S
nq 2
conducteur2).
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 = µv) 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
mA
2
Cerhéostat
résultat a déjà été vérifié en chimie en conductimétrie sous la forme
G 
S
L
mesurée pendant des temps t égaux doit être proportionnelle au carré de l’intensité du courant.
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 :
Charges
mobiles
U (T)
WR
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 du programme mises en œuvre
Compétences expérimentales et manipulatoires
– Proposer une expérience susceptible de valider ou d’invalider un modèle théorique.
– Élaborer 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.