Physique-Chimie 3e

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Dossier Brevet
Thème 1 : Organisation et transformations de la matière
Ch. 1
De l'Univers aux atomes
Ch. 2
Les ions dans notre quotidien
Ch. 3
Quand les acides et les bases réagissent
Ch. 4
La masse volumique
Thème 2 : Mouvement et interactions
Ch. 5
Vitesse et mouvement
Ch. 6
Les forces
Ch. 7
Le poids
Thème 3 : L'énergie et ses conversions
Ch. 8
La conservation de l'énergie
Ch. 9
Résistance et loi d'Ohm
Ch. 10
Puissance et énergie en électricité
Thème 4 : Des signaux pour observer et communiquer
Ch. 11
Des signaux au-delà de la perception humaine
Chapitre 9

La Physique-Chimie autrement

Histoire des sciences
Drude : un modèle pour la loi d'Ohm

Doc. 1
Le cadre du modèle de Drude.

Une des explications les plus satisfaisantes est celle du physicien allemand Paul Drude. Il explique que la tension agit comme une force électrique qui s'exerce sur les électrons, et que l'intensité du courant est directement liée à leur vitesse de déplacement le long du fil.
Drude mène ensuite son étude dans un solide dont les atomes sont très organisés. Il comprend que les électrons, qui sont de toutes petites particules, sont forcés de se déplacer parmi des atomes de métal, qui sont de bien plus grosses particules : ils sont environs 100 000 fois plus massifs que les électrons !

Doc. 2
Trajectoire d'un électron dans le réseau d'atomes. C'est la tension qui attire l'électron d'un côté !

Doc. 2 : Trajectoire d'un électron dans le réseau d'atomes. C'est la tension qui attire l'électron d'un côté !
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Doc. 3
De la mécanique de Newton à la loi d'Ohm.

Une fois ce cadre de modélisation posé, Drude applique les équations de la mécanique, et notamment les lois de Newton, aux électrons. Sur la représentation proposée sur le Doc. 2, les électrons sont constamment attirés vers la droite. Cependant, ils rentrent régulièrement en contact avec un atome, ce qui les dévie de leur trajectoire initiale. Les calculs de Drude permettent de conclure que la vitesse des électrons est proportionnelle à la force que l'on applique, autrement dit que tension et intensité sont proportionnelles : c'est la loi d'Ohm !

Georg Ohm (1789-1859), à gauche, a découvert la loi qui porte son nom, et Paul Drude (1863-1905), à droite, en a proposé une explication théorique.
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Georg Ohm (1789-1859), à gauche, a découvert la loi qui porte son nom, et Paul Drude (1863-1905), à droite, en a proposé une explication théorique.
Questions
La loi d'Ohm que tu as étudiée dans ce chapitre ne s'appuie que sur des observations. C'est en faisant varier tour à tour la tension, l'intensité et la résistance que Ohm a découvert U = R × I. Les physiciens ont ensuite essayé d'expliquer ce résultat par une théorie.

1. Le modèle de Drude date de 1900. Sais-tu quand Georg Ohm a publié sa loi ?

2. En fait, le modèle de Drude n'est pas tout à fait exact. Sais-tu quelle mécanique découverte au début du XXe siècle et s'appliquant aux très petites particules a permis de le corriger ?

Objet d'étude
Les supraconducteurs

Doc. 1
Le principe de la supraconductivité.

Pour diminuer la résistance de certains métaux, on peut abaisser leur température a proximité du zéro absolu (-273,15 °C). En effet, cela « immobilise » les atomes, ce qui permet aux électrons de progresser en passant entre eux sans les heurter. Pour la même tension donnée, l'intensité devient bien plus grande. La résistance a donc diminué ! Les métaux qui, en dessous d'une température donnée, voient leur résistance s'annuler, sont appelés les supraconducteurs.

Doc. 2
Un aimant en lévitation au dessus d'un supraconducteur.

Doc. 2 : Un aimant en lévitation au dessus d'un supraconducteur.
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Crédits : l i g h t p o e t/Shutterstock
Questions
Han a enfin réglé le problème de l'énergie inutilement convertie par effet Joule à bord du Faucon Millenium.

1. Doc. 2 Pour quelles raisons l'aimant est-il couvert de givre ?

2. À ton avis, la température dans l'espace est-elle adaptée à l'utilisation de la supraconduction par les vaisseaux spatiaux ?

La Physique-Chimie au quotidien
Esprit scientifique

Fabrique une lampe à intensité variable !

Fabrication d'une lampe à intensité variable.
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Comme la lampe va briller faiblement, il est utile de se mettre dans le noir. Tu peux utiliser du scotch pour fixer les fils en contact avec l'ampoule et la pile.

Matériel

  • Une pile de 4,5 V.
  • Trois fils métalliques.
  • Une petite ampoule de lampe de poche (ou une « DEL », diode électro-luminescente).
  • Un crayon de papier 2B (à défaut un HB).
  • Une feuille de papier.
Questions

Étapes de la fabrication :

  • Trace un trait très épais, large et sur-appuyé au crayon 2B.
  • Réalise le montage représenté ci-dessus.
  • Éloigne ou rapproche les deux fils en contact avec le trait.

Une question à se poser :

1. Pourquoi l'éclat de la lampe varie-t-il quand tu changes la distance entre les fils ?

Explication scientifique

La résistance du dipôle « trait de crayon » varie nettement avec la longueur utilisée. En effet, le graphite est un bon conducteur mais le trait étant de très faible épaisseur, le courant ne circule pas si facilement. Si en plus tu augmentes la distance à franchir, la résistance augmente vraiment et l'intensité devient très faible, comme le montre l'éclat de la lampe.

Le saviez-vous ?

  • On peut faire varier la résistance, par exemple en augmentant la longueur du trajet parcouru par le courant.
  • Lorsque la résistance varie, l'intensité aussi et la lumière est plus ou moins forte.

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