Maquette Thermoéléctricité 08169

Présentation
Maquette
Thermoéléctricité
08169
NOTICE
Retrouvez
l’ensemble
de nos gammes sur :
www.pierron.fr
ÉQUIPEMENT PÉDAGOGIQUE SCIENTIFIQUE
DIDACTIK • CS 80609 • 57206 SARREGUEMINES Cedex France
Tél. : 03 87 95 14 77 • Fax : 03 87 98 45 91
E-mail : [email protected]
1
Présentation
1 - Introduction
Cette maquette permet d’aborder différentes notions et expériences qui mettent en jeu les
effets thermoélectroniques.
Il s’agit en particulier de présenter l’effet Seebeck et son expérience historique, la notion de
thermocouple et ce qui la caractérise.
En relation annexe à ces phénomènes, le dispositif sert aussi à mettre en évidence les effets
magnétiques d’un conducteur parcouru par un courant (champ créé par un conducteur
«rectiligne» ou une spire).
La polyvalence de la maquette permet ainsi de mettre en relation observations expérimentales
et interprétation expérimentale, en mesurant les grandeurs physiques associées.
Elle offre la possibilité de :
–– réaliser l’expérience historique de Seebeck
–– mettre en relation observation, effet magnétique, passage d’un courant, existence d’une
d.d.p.
–– présenter la notion de thermocouple et les caractéristiques de l’effet thermoélectrique
associées :
■■ influence de la différence de température entre les jonctions ;
■■ influence de la nature des métaux qui la composent
2 - Contenu de l’emballage
■■ un support en bois
■■ une plaque de fer
■■ une plaque d’aluminium
■■ un pont en cuivre
■■ une aiguille aimantée
■■ une notice
Caractéristiques
Support en bois
Plaques en aluminium et fer muni de raccord pour cordons Ø 4 mm
■■ Pont en cuivre
■■ Dimensions (Lxhxh) : 220 x 80 x 175 mm
■■
■■
2
08169-1
Descriptif
1
2
3
7
(1) : Borne A
(2) : Borne B (3) : Jonction froide (T1), vis + écrou
(4) : Plaque d’aluminium
(5) : Plaque de cuivre (en U renversé)
(6) : Jonction chaude (T2), vis + écrou 4
5
8
9
6
10
11
(7) : Plaque de fer avec bornes B et C
(8) : Écrous de fixation au statif vertical (x2)
(9) : Aiguille aimantée sur socle
(10) : Statif vertical avec socle
(11) : Borne C
Montage
L e dispositif est immédiatement prêt à l’emploi.
■■ Selon l’expérience, choisir la plaque d’aluminium (la plus légère) ou la plaque de fer (la
plus lourde). Poser la plaque choisie sur les deux vis situées à la partie supérieure du
statif (10) et visser les écrous (8).
■■
3
Utilisation
1. Remarques pratiques importantes
Au cours de ces expériences, on est amené à chauffer la partie (6) de la maquette, appelée
pour cela jonction chaude.
rr Quelques secondes (de l’ordre de 5 s) peuvent suffire pour observer le
phénomène, selon le type de brûleur utilisé. On veillera ainsi à ne pas
prolonger inutilement le chauffage.
rr La flamme du brûleur doit être bien réglée (en «fuseau») et localisée au
niveau de la jonction chaude.
rr Il est possible de chauffer la jonction chaude (6) par-dessus ou par-dessous
la plaque. Dans ce dernier cas, on fera attention à ce que la flamme soit bien
localisée et dirigée vers la jonction, afin de ne pas brûler accidentellement
la partie supérieure en bois du statif (10). Aussi, il est plus sûr de chauffer
par le dessus.
rr L’ensemble du dispositif étant constitué de pièces métalliques, il se produit
un échauffement normal, non négligeable des autres pièces, par conduction
thermique. Par conséquent, on n’oubliera pas que, même après chauffage,
la maquette peut comporter des parties brûlantes qu’il convient évidemment
de ne pas toucher (à l’image d’un tube à essais qui a été chauffé !).
!
2. Expérience historique de Seebeck
2.1. Matériel nécessaire
■■ Maquette sur pied avec :
–– la plaque d’aluminium (4),
–– la plaque de cuivre (5) fixée à l’aide des 2 vis-écrous moletés (3 et 6) sur la plaque (4),
–– l’aiguille aimantée (9).
■■ Source de chaleur (non fournie) : type Micro brûleur ref. 02995 ou Bec Bunsen (bien
réglé)
2.2. Aspect historique
Il s’agit de réaliser l’expérience historique de Seebeck, réalisée en 1821.
–– Il utilise un montage semblable à celui de la maquette (ci-contre) : une spire est réalisée
en reliant deux métaux différents, ici du cuivre (5) et de l’aluminium (4). Ce qui constitue
deux jonctions Cu-Al (une froide (3), une chaude (6)).
–– Il y place au centre une aiguille aimantée (9).
4
08169-1
[Utilisation]
–
–
Il chauffe l’une des deux jonctions Cu-Al : la jonction (6) est prévue à cet effet (figure
ci-dessus), l’autre (3) est laissée à la température ambiante.
Il observe alors une rotation de l’aiguille aimantée dans un certain sens.
2.3. Mode opératoire : réalisation de l’expérience historique
– S’assurer que le dispositif ne se trouve pas dans un environnement magnétique parasite,
susceptible de perturber l’expérimentation.
– Réaliser la spire Cu-Al (4 + 5) qui constitue alors un circuit fermé (voir figure ci-dessus).
Veiller à serrer convenablement les écrous (3 et 6) afin qu’il y ait un bon contact électrique,
condition nécessaire à la réussite de l’expérience.
– Placer l’aiguille aimantée (9) sous la plaque de cuivre (5), au centre de la spire.
– Orienter la plaque de cuivre (5) parallèlement à l’aiguille aimantée.
– Chauffer la jonction Cu-Al (6) à l’aide d’un brûleur, le temps juste nécessaire (Revoir au
besoin : Utilisation §1) à une observation nette de la rotation de l’aiguille aimantée
dans un certain sens : une rotation de 30° correspond à un résultat probant.
3. Interprétation de l’effet Seebeck et mesures associées
3.1. Matériel nécessaire
■ Maquette sur pied avec :
– la plaque d’aluminium (4),
– la plaque de cuivre (5) fixée à l’aide d’une seule vis moletée (6) sur la plaque (4),
– l’aiguille aimantée (9).
5
Utilisation
S ource de chaleur (non fournie) : type Micro brûleur ref.02995 ou Bec Bunsen (bien
réglé)
■■ 2 fils de connexion (non fournis)
■■ Millivoltmètre (non fourni)
■■ Petite cale en bois (exemple : allumette, non fournie)
■■
3.2. Interprétation et mesure
On exploite l’expérience historique précédente de Seebeck.
3.2.1. Passage d’un courant
–– La rotation de l’aiguille aimantée est due à l’existence d’un champ magnétique produit
par la spire. Celui-ci résulte du courant électrique qui parcourt la spire, par suite de la
différence de température entre les deux jonctions (3) et (6).
–– En appliquant la règle du bonhomme d’Ampère, on en déduit que ce courant parcourt
la spire de la jonction chaude (6) à la jonction froide (3), en passant par la lame de
cuivre (5).
On met ainsi en évidence un effet thermoélectrique.
3.2.2. Thermocouple et existence d’une d.d.p. en circuit ouvert
–– À partir du dispositif §2, enlever le système vis-écrou (3), après s’être assuré que le
dispositif est bien refroidi.
Réaliser alors une spire ouverte en intercalant la petite cale en bois entre la plaque de
cuivre et la plaque d’aluminium, au niveau (3).
–– Connecter les bornes du millivoltmètre aux bornes A et B à l’aide des fils, de façon à
mesurer la tension UAB.
–– Chauffer la jonction Cu-Al (6) à l’aide du dispositif de chauffage, le temps juste nécessaire
à l’observation d’une tension UAB positive, de quelques dixièmes de millivolt.
L’ensemble plaque de cuivre (5), plaque d’aluminium (4), jonction (6) constitue un
thermocouple.
En évitant cependant de trop chauffer, observer que la tension augmente avec la
différence de température entre les deux jonctions.
Le passage d’un courant, en circuit fermé, est donc lié à l’existence d’une
d.d.p. aux jonctions des deux métaux lorsqu’il existe une différence de
température entre les deux jonctions.
6
08169-1
[Utilisation)
Remarque générale :
Le fait de connecter le voltmètre en A et B par l’intermédiaire de fils de connexion entraîne
de nouvelles jonctions. La mesure de la tension ne correspond donc pas en toute rigueur
à celle liée au seul phénomène étudié.
4. Influence de la nature des métaux sur l’expérience Seebeck
4.1. Mode opératoire
–– S’assurer que le dispositif ne se trouve pas dans un environnement magnétique parasite,
susceptible de perturber l’expérimentation.
–– Après avoir vérifier que l’ensemble du dispositif n’est pas chaud, remplacer la plaque
d’aluminium (4) par la plaque de fer (7) :
■■ enlever la plaque d’aluminium en dévissant les deux écrous (8)
■■ enlever la plaque de cuivre (5) en dévissant les écrous (3 et 6)
■■ procéder à l’inverse pour remettre en place : plaque de fer, plaque de cuivre.
–– Reprendre le même mode opératoire que précédemment (§2 et §3).
Remarque : La plaque en fer peut présenter une légère aimantation. S’il y a lieu, veiller
initialement à bien positionner, à l’horizontale, l’aiguille aimantée, pour que sa rotation n’en
soit pas affectée.
4.2. Comparaison des résultats
On constate que les résultats sont opposés :
–– rotation de l’aiguille aimantée,
–– sens du courant,
–– valeur de la tension U .
AB
Les résultats obtenus dépendent donc de la nature de l’association des deux
métaux.
5. Thermocouple
5.1. Matériel nécessaire
■■ Statif (10) avec plaque d’aluminium Al (4) ou de fer Fe (7)
■■ 2 fils de connexion en cuivre Cu (non fournis) ;
■■ Dispositif de chauffage (non fourni)
■■ Millivoltmètre (non fourni)
7
Utilisation
5.2. But
Il s’agit de:
–– réaliser un thermocouple :
■■ jonction froide Cu-Al, jonction chaude Al-Cu
ou
■■ jonction froide Cu-Fe, jonction chaude Fe-Cu.
–– mettre en relation la tension entre les deux jonctions et la différence de température
–– montrer que les effets dépendent de la nature des métaux constituant le thermocouple.
5.3. Mode opératoire et mesures
5.3.1. Réalisation du thermocouple
–– Utiliser la plaque d’aluminium (4) fixée sur le statif à l’aide des deux écrous (8).
Rappel : version basique de l’effet Thomson
Entre deux points B et C, portés respectivement à des températures différentes (T1) et
(T2), il s’établit une d.d.p. qui ne dépend que la nature du métal conducteur et de l’écart
de température entre les deux points.
Cette tension n’est pas directement mesurable puisque l’introduction de
l’appareil de mesure et de ses fils de connexion constitue un thermocouple.
–– Réaliser le thermocouple en connectant les fils de cuivre respectivement aux bornes
B (2) et C (11).
–– Relier les fils aux bornes du millivoltmètre de façon à mesurer la tension U .
CB
froid T1
B
Al
Cu
chaud T2
C
Cu
mV
5.3.2. Influence de la température sur la mesure de UCB
Chauffer au voisinage de la jonction C pendant quelques secondes et arrêter le chauffage.
En même temps, suivre l’évolution de la mesure la tension UCB au cours du chauffage.
On observe l’existence d’une tension UCB entre les deux jonctions qui augmente
avec l’augmentation de l’écart de température entre les deux jonctions.
8
08169-1
[Utilisation]
5.3.3. Influence de la nature des métaux.
Refaire l’étude expérimentale précédente en remplaçant la plaque d’aluminium par la
plaque de fer.
On constate que la mesure de la tension dépend de la nature des métaux qui
constituent le thermocouple.
6. Expériences annexes
On peut aussi utiliser la maquette pour mettre en relation sens du courant électrique et champ
magnétique créé par un courant et faire ainsi un retour sur l’interprétation de l’effet Seebeck.
6.1. Matériel nécessaire
■■ Maquette sur pied avec :
–– la plaque d’aluminium (4),
–– la plaque de cuivre (5) fixée à l’aide des seuls vis-écrous moletés (6) sur la plaque (4),
–– l’aiguille aimantée (9).
■■ Petite cale en bois (exemple : allumette, non fournie).
■■ Générateur (24 V ; 5 A) ref. 04850.
■■ Rhéostat (10 Ω ; 4 A) ref. 04385.
■■ Ampèremètre ref. 01266.
■■ Fils de connexion (x4).
6.2. Champ magnétique créé par une spire conductrice
–– Utiliser le dispositif dans la situation §3.2.2. : spire ouverte AB.
–– Réaliser un circuit comprenant en série, un générateur de tension continu, un
ampèremètre, un rhéostat et la spire AB.
A
B
G
A
9
Utilisation
––
––
––
––
––
Orienter la plaque de cuivre parallèlement à la direction de l’aiguille aimantée.
Mettre en fonction le générateur : plus l’intensité du courant est grande, plus l’effet
magnétique est grand. Régler l’intensité du courant de façon à observer une rotation
convenable de l’aiguille aimantée.
Mettre en relation déviation de l’aiguille aimantée et sens du courant dans le circuit.
En appliquant la règle du Bonhomme d’Ampère, retrouver que le sens du champ
magnétique est conforme à l’orientation que prend l’aiguille aimantée dans ces conditions.
Mettre en relation ce résultat avec l’effet Seebeck et son interprétation (§2 et 3) : vérifier
la cohérence des résultats.
6.3. Champ magnétique créé par un conducteur « rectiligne »
C’est l’expérience équivalente à la classique expérience de l’aiguille d’Oersted, réalisée
avec un fil conducteur. Ici la plaque en cuivre joue le rôle du fil.
–– Réaliser un circuit comprenant en série, le générateur de tension continu, le rhéostat,
l’ampèremètre et la seule lame de cuivre (5). Utiliser alors les bornes A et C.
A
C
G
––
––
10
A
La plaque d’aluminium (ou de fer) ne sert ici que de support : veiller à insérer la
cale entre les deux plaques cuivre et aluminium (ou fer), au « point » A.
Mettre en fonction le générateur et régler l’intensité du courant de façon à observer une
rotation convenable de l’aiguille aimantée. Repérer le sens conventionnel du courant.
En appliquant la règle du Bonhomme d’Ampère, retrouver que le sens du champ
magnétique est bien cohérent avec l’orientation que prend l’aiguille aimantée :
■■ si elle est placée sous la plaque de cuivre ;
■■ si elle placée sur la plaque de cuivre.
08169-1
Entretien et garantie
E ntretien
Aucun entretien particulier n’est nécessaire au fonctionnement de votre appareil.
Toutes les opérations de maintenance ou de réparation doivent être réalisées par PIERRON
ÉDUCATION. En cas de problème, n’hésitez pas à contacter le Service Clients.
■
G
arantie
Les matériels livrés par PIERRON ÉDUCATION sont garantis, à compter de leur livraison,
contre tous défauts ou vices cachés du matériel vendu. Cette garantie est valable pour une
durée de 2 ans après livraison et se limite à la réparation ou au remplacement du matériel
défectueux. La garantie ne pourra être accordée en cas d’avarie résultant d’une utilisation
incorrecte du matériel.
Sont exclus de cette garantie : la verrerie de laboratoire, les lampes, fusibles, tubes à vide,
produits, pièces d’usure, matériel informatique et multimédia.
Certains matériels peuvent avoir une garantie inférieure à 2 ans, dans ce cas, la garantie
spécifique est indiquée sur le catalogue ou document publicitaire.
Le retour de matériel sous garantie doit avoir notre accord écrit.
Vices apparents : nous ne pourrons admettre de réclamation qui ne nous serait pas parvenue
dans un délai de quinze jours après livraison au maximum. À l’export, ce délai est porté à
un mois.
La garantie ne s’appliquera pas lorsqu’une réparation ou intervention par une personne
extérieure à notre Société aura été constatée.
■
11
Notes
ÉQUIPEMENT PÉDAGOGIQUE SCIENTIFIQUE
12
DIDACTIK • CS 80609 • 57206 SARREGUEMINES Cedex France
Tél. : 03 87 95 14 77
Fax : 03 87 98 45 91
E-mail : [email protected]
08169-1