F6 - Réglage de l`éclairage d`une lampe

Electrodynamique – circuit électrique en courant continu
F6
Réglage de l’éclairage d’une lampe
(ou obtention d’une vitesse de rotation variable pour
un moteur à partir d’un générateur de tension
constante)
Dans toute la manipulation, la lampe peut être remplacée par un moteur muni d’un tachymètre, dispositif
assez commun dans les lycées, prévu pour l’étude moteur – génératrice. L’indication du tachymètre, tous
les autres paramètres étant constants (charge de la génératrice, par exemple), permettra de repérer
l’énergie dissipée par le moteur.
L’utilisation d’un ordinateur et d’une interface est recommandée pour la dernière partie de l’activité. La
manipulation est réalisable avec un oscilloscope (à mémoire de préférence). Cette série de manipulations
peut conduire à définir la notion de grandeur efficace, ce qui est rigoureusement hors programme.
Comment repérer l’intensité lumineuse fournie par une lampe ? Quelques propositions
Dispositif proposé il y a quelques années dans les collèges
Une superposition de plusieurs épaisseurs de papier posées sur l’ampoule permet de masquer la lumière
issue du filament. On repère le nombre minimal de feuilles de papier nécessaire pour absorber la lumière
issue du filament. La précision de cette mesure dépend de l’épaisseur du papier utilisé.
L’utilisation de l’optoélectronique
Le choix est varié ; utilisons une photorésistance, composant classique dans les lycées. Celle-ci est placée
à une distance fixe de l’ampoule. Un tube de PVC permet d’éliminer une grande partie de la lumière
parasite. La résistance de la photorésistance est mesurée à l’ohmmètre, ce qui permet d’associer une
valeur numérique à l’intensité lumineuse émise par la lampe.
Manipulation préliminaire
On utilise un générateur de tension ajustable et une lampe (par exemple, une lampe utilisée dans
l’industrie automobile : 12 V ; 21 W). On vérifie alors qu’un des dispositifs de repérage de l’intensité
lumineuse (de préférence la photorésistante) remplit correctement sa fonction.
Comment diminuer l’intensité lumineuse émise par la lampe ?
Le générateur délivre une tension de 12 V comme le ferait une batterie d’automobile. Les élèves vont
proposer assez naturellement de diminuer UL aux bornes de lampe, ce qui conduit à une diminution de I,
ou de diminuer I, ce qui conduit à diminuer UL.
Le but étant une étude énergétique du montage, il est hors de propos, d’effectuer des calculs de tension
et/ou d’intensité dans les différents éléments de celui-ci. Deux solutions peuvent être proposées :
– introduction d’un rhéostat dans le circuit ;
– introduction d’un potentiomètre aux bornes du générateur (en fait, rhéostat monté en potentiomètre).
Les élèves proposent des solutions qui sont discutées, puis on passe à la réalisation pratique dans la
mesure de leur faisabilité.
Remarque – Attention à l’intensité admissible par le rhéostat ! Le professeur peut proposer un dispositif : le
hacheur. Tous les dispositifs proposés permettent d’atteindre la fonction souhaitée !
Quel est le dispositif le plus intéressant d’un point de vue énergétique ?
Un compteur d’énergie ou un wattmètre faciliteront la suite des manipulations. L’utilisation de contrôleur
RMS n’est pas à envisager à ce niveau d’enseignement. On se limite à l’étude de deux dispositifs :
utilisation du rhéostat et utilisation du hacheur.
On réalise successivement les montages suivants :
wattmètre
ou
compteur
d'énergie
E
E
wattmètre
ou
compteur
d'énergie
hacheur
On fixera une même intensité lumineuse dans les deux cas, c’est-à-dire que les réglages du rhéostat et
celui du hacheur ne seront pas modifiés dans la suite des manipulations. Pour chaque montage, on note la
puissance électrique fournie par le générateur.
On essaie de comprendre la fonction du hacheur. On visualise la tension aux bornes de la lampe à l’aide
d’un oscilloscope dans les deux cas : utilisation d’un rhéostat, utilisation d’un hacheur. On note ou
enregistre les variations de tension en fonction du temps dans les deux cas.
Conclusion : quelques mesures pour approfondir
E
UL
r = 1 ohm
U 1 ohm
hacheur
E
UL
r = 1 ohm
U 1 ohm
Revenons à la notion d’énergie électrique ou de puissance électrique. On reprend les deux montages
précédents. L’intensité lumineuse est réglée pour être la même pour chaque montage.
Matériel nécessaire : soit un oscilloscope analogique, du papier et une calculette (facultatif) ; soit un
oscilloscope numérique et son module de calcul ; soit un ordinateur interfacé.
Questionnement possible : “ Enregistrer pour chaque montage Ur(t) et UL(t), c’est-à-dire I(t) et UL(t).
Créer la fonction P(t) = UL(t). I(t). Afficher P(t) en fonction de t pour les deux montages proposés. Calculer
WT, énergie électrique dissipée dans la lampe pendant une période du hacheur, ce, pour les deux
montages. Conclusions. ”
Nos remerciements à M. Suget M., IA-IPR, pour la mise au point d’un compteur d’énergie fiable.