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La Physique-Chimie autrement
P.224-225

La Physique-Chimie autrement


La Physique-Chimie autrement




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L’effet Joule : une théorie pour la plaque chauffante

Tout frottement produit de la chaleur ! Se frotter les mains entre elles permet de s'en apercevoir. Dans le modèle de Drude présenté dans le chapitre précédent, le « frottement » des électrons sur les atomes provoque l'échauffement : c’est l’effet Joule.

1
Mets-toi à la place de Joule : tu connais l’énergie qu’il faut pour évaporer l’eau, mais la grandeur qui t’intéresse est la puissance délivrée par la résistance. Comment faire ?



Doc. 1
La méthode de Joule.

Cet effet est nommé en hommage au physicien anglais James Joule (1818 - 1889) qui l’a découvert expérimentalement vers 1860. Pour quantifier la puissance, il a eu une idée ingénieuse : placer une résistance dans une certaine quantité d’eau et mesurer, pour une tension et une intensité données, le temps qu’il faut pour faire évaporer un certain volume du liquide. Connaissant l’énergie nécessaire pour la faire évaporer, il en déduit la puissance P délivrée par la résistance. Il peut alors chercher la relation entre celle-ci et la valeur de U et I qu’il connait. Il établit alors que P = U × I.

Doc. 2
James Prescott Joule (1818 - 1889).

James Prescott Joule (1818 - 1889).
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Mise à feu : une question de puissance

Les feux d’artifice professionnels sont souvent tirés à l’aide d’une commande électrique, qui aboutit au déclenchement d’un inflammateur, lequel met le feu à la mèche.

1
Peux-tu décrire les conversions d’énergie qui se produisent lors de l’allumage d’une mèche par déclenchement électrique ?



2
Serais-tu capable de retrouver la formule donnée pour calculer l’énergie électrique ? Aide-toi de la loi d’Ohm et de la relation de la puissance.



3
Crois-tu vraiment que le filament ne peut pas bruler lorsqu’il est testé par l’artificier ? Vérifie par un calcul le temps qu’il lui faudrait avec un courant de 5 mA par exemple.



4
En réalité, même au bout d’une telle durée, le filament ne brule pas. À ton avis, pourquoi ?




Doc. 1
Schéma d’un inflammateur électrique.

<stamp theme='pc-green1'>Doc. 1</stamp> Schéma d’un inflammateur électrique.

Doc. 2
Principe de l’inflammateur électrique ?

Un inflammateur électrique est un filament de résistance faible (de l’ordre de 1 Ω) mis en contact avec la mèche à allumer. Par effet Joule, le filament s’échauffe et devient incandescent, mettant le feu à une petite quantité de poudre qui l’entoure, ce qui enflamme la mèche du feu d’artifice.
Pour que l’inflammation soit rapide, il faut une intensité suffisante : autour de 1 A par exemple. Il ne faut alors que quelques millisecondes au filament pour enflammer la mèche. Les connexions sont testées au préalable par l’artificier, qui fait circuler un courant de quelques milliampères dans le circuit : de quoi allumer une LED témoin, mais sans faire partir la fusée.

Doc. 3
En quoi consiste un inflammateur électrique ?

On peut calculer très simplement l’énergie E reçue par le  lament pendant une durée t : E =  R × I² × t. R est la résistance du filament, et I est l’intensité du courant électrique. Le filament convertit l’intégralité de cette énergie en chaleur ; l’énergie nécessaire pour faire chauffer le filament jusqu’à son embrasement est de l’ordre d’un millijoule.
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Chauffer avec l’énergie électrique !

▸ Étapes de la fabrication :

Matériel :
- Une pile de 4,5 V neuve.
- De la paille de fer, la plus fine possible.
- Un évier en céramique.
- Des gants de cuisine isolant de la chaleur.
- Un adulte !

Enfile les gants isolants. Pose la paille de fer dans l’évier sec. En tenant la pile par son extrémité, mets en contact ses deux bornes avec la paille de fer.

▸ Des à questions à se poser :

1
Quel nom porte le fait de relier les deux pôles d’une pile par un conducteur électrique ?



2
Pour quelle raison la paille de fer s’échauffe-t-elle ?




Doc. 1
Paille de fer incandescente.

Paille de fer incandescente.

L’électricité peut faire chauffer un objet jusqu’à l’enflammer.

Explication scientifique

On réalise ici un courtcircuit, car les deux bornes de la pile sont reliées par un simple conducteur électrique, sans dipôle dans le circuit. Les filaments de la paille de fer, très fins, s’échauffent par effet Joule et brulent. L’énergie électrique est convertie en énergie thermique.
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