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Effet thermique du courant – l'expérience Q = RI²t

PhysiqueÉlectricité et circuits16–17 ansLaboratoire virtuel

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Une résistance chauffante dans un calorimètre rempli d'eau : réglez le courant et la durée, lisez le thermomètre et vérifiez Q = RI²t = mcΔT en traçant ΔT en fonction de I² et de t. D'autres écrans montrent pourquoi un élément en nichrome chauffe alors que les fils de cuivre restent froids, comment un fusible fond et un disjoncteur se déclenche en surcharge, et comment une lampe à filament, un fer à repasser et une bouilloire utilisent cet effet.

Leçon : Effet thermique du courant électrique, effet Joule

Ce qu’elle montre

Quand un courant traverse un conducteur, l'énergie électrique devient de la chaleur : Q = RI²t. Dans un calorimètre isolé, cette chaleur réchauffe l'eau, Q = mcΔT avec c = 4186 J/(kg·K), donc ΔT est proportionnel à I² et à t. Dans un circuit en série, l'élément et les fils portent le même courant : la partie de plus grande résistance dégage beaucoup plus de chaleur. Fusibles et disjoncteurs utilisent ce même effet pour protéger le circuit. Le modèle néglige la capacité thermique du gobelet et de la résistance, et les courbes du fusible et du disjoncteur sont simplifiées.

Mode d’emploi

Dans Calorimètre, réglez Courant I, Résistance R, Masse d'eau m et Durée de chauffage t, puis appuyez sur Allumer. Chaque mesure va dans le tableau. Changez seulement I et faites au moins trois mesures pour le graphique ΔT en fonction de I² ; choisissez ΔT en fonction de t et changez seulement t pour le second graphique. Dans Élément et fils, changez Matériau de l'élément et I. Dans Fusible et disjoncteur, choisissez Calibre, réglez Courant de charge et appuyez sur Allumer. Dans Appareils, choisissez appareil, tension et durée, puis appuyez sur Noter les données.

Paramètres modifiables

  • Écran Calorimètre, Élément et fils, Fusible et disjoncteur, Appareils
  • Courant I 0,5–4 A
  • Résistance R 2–10 Ω
  • Masse d'eau m 100–500 g
  • Durée de chauffage t 60–600 s
  • Gobelet non isolé

Questions à explorer

  1. Quand I passe de 2 A à 4 A sans changer R, m et t, par quel facteur ΔT augmente-t-il ?
  2. Calculez la capacité thermique massique c de l'eau à partir d'une mesure. Sans isolation, votre valeur est-elle plus grande ou plus petite ?
  3. Quel est le plus petit courant de charge qui fait fondre un fusible de 10 A en 60 s, et combien de temps met le disjoncteur de 10 A à ce courant ?

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