Chap 11C - TP20 - Effet Joule

Première S
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TP de Sciences Physiques nÀ20
Transferts dÊénergie en électricité : lÊeffet Joule
Objectifs de la séance
Etudier la conversion d’énergie entre « énergie électrique » et « énergie thermique ».
Définir « l’effet Joule » et l’associer au fonctionnement d’un conducteur ohmique.
Vérifier expérimentalement l’expression de l’énergie dissipée par « effet Joule ».
Principe de l’étude
Le passage du courant électrique dans un conducteur ohmique s’accompagne d’un dégagement de chaleur
plus ou moins important : c’est l’effet Joule. On se propose d’étudier le lien entre « intensité du courant » et
« énergie dissipée par effet Joule », tout d’abord théoriquement puis expérimentalement.
I-
Etude théorique
Rappelle la relation qui lie l’intensité du courant I qui parcourt un conducteur ohmique à la tension UR
appliquée entre ses bornes.
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Rappelle l’expression de l’énergie électrique reçue par un dipôle électrique en fonction de l’intensité I du
courant qui le parcourt, de la tension U appliquée entre ses bornes et de la durée ∆t de fonctionnement.
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A partir de ces deux expressions, exprime l’énergie reçue par un conducteur ohmique en fonction
uniquement de sa résistance R, de l’intensité I du courant qui le traverse et de la durée ∆t de fonctionnement.
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II -
Etude expérimentale
On dispose d’un conducteur ohmique de résistance 6,0 Ω placé en série avec un générateur, un ampèremètre
et un rhéostat. Le conducteur ohmique plonge dans un récipient contenant une quantité d’eau déterminée. Le
passage du courant dans le conducteur ohmique provoque, par effet Joule, une élévation de la température
de l’eau par transfert thermique.
Manipulation
Réalise le montage électrique et fais vérifier.
Place 100 mL d’eau dans le récipient isotherme et plonge le conducteur ohmique dans l’eau. Vérifie
que le conducteur ohmique est bien immergé dans l’eau.
Allume le générateur et règle rapidement le rhéostat pour obtenir une intensité I = 0,60 A, puis éteint
le générateur.
Place le thermomètre dans l’eau et attends l’équilibre thermique : note alors la température initiale θi.
Allume le générateur, déclenche le chronomètre et agite doucement pendant toute la durée de
l’expérience.
Eteins le générateur après 3,0 mn et relève la température finale θf.
Recommence cette opération trois fois aux intensités suivantes et complète le tableau de la page
suivante.
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Première S
Intensité du
courant (A)
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Température initiale
de l’eau (θi en °C)
Température finale
de l’eau (θf en °C)
Variation de
température (∆θ en °C)
Energie thermique reçue
par l’eau (Eth en J)
0,60
0,80
1,00
1,20
Exploitation des résultats
Par définition, l’énergie reçue sous forme thermique (Eth en Joules) par de l’eau liquide chauffée a pour
expression Eth = m × c × ∆θ où « m » est la masse d’eau chauffée (g), « c » la capacité thermique de l’eau
liquide (c = 4,18 J/g/°C) et « ∆θ » la variation de température (en °C). Cette relation a déjà été utilisée dans
le TP n°12 sur l’énergie de changement d’état.
Calcule l’énergie reçue par l’eau chauffée Eth dans chaque cas et termine de remplir le tableau.
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L’expérience étant réalisée dans une enceinte adiabatique, que peut-on dire des énergies « électrique dissipée
par effet Joule », notée Eél et « thermique reçue par l’eau », notée Eth ?
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D’après l’expression obtenue théoriquement, est-il plus judicieux de tracer le graphique d’équation Eth = f(I)
ou Eth = f(I2) ? Justifie et prévois ce que sera le graphe et quelles seront ses propriétés.
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Trace le graphe choisi.
Validation : le graphe valide-t-il la prévision théorique ? Justifie.
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L’effet Joule est utilisé dans certains appareils, mais il peut aussi constituer un phénomène gênant dans
d’autres. Parmi les cas suivants, entoure ceux pour lesquels l’effet Joule est gênant : une plaque chauffante,
un microprocesseur, un moteur électrique, une lampe à incandescence, un réseau de distribution électrique.
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