PILES
ET RESISTANCES
SOMMAIRE
VERSION PDF TELECHARGEABLE
PILE AU BICHROMATE
Boîte de résistances
Boîte à pont
PONT A CORDE OU PONT A FIL
SHUNTS POUR GALVANOMETRE
RHEOSTATS A PLOTS
Haut
de page
Retour à la page de présentation
OBJET :
eld 1 - 1
Générateur
électrochimique de force électromotrice égale à 2 volts.
L'électrolyte,
solution aqueuse de « bichromate de potassium » (
) et d'acide sulfurique (
), est contenu dans une bouteille de verre. Un bouchon isolant porte les bornes
de cuivre, pôles de la pile. Deux lames bornes de charbon de cornue, solidaires
du bouchon, reliées à l'une des bornes, plongent dans l'électrolyte lorsque
le bouchon est en place. Elles constituent la borne + de la pile. La borne
négative est constituée par une plaque de zinc qui peut être fixée sur une
tige traversant le bouchon. En relevant la tige on peut retirer la plaque de
zinc de l'électrolyte pour lui éviter d'être attaquée lorsque la pile n'est
pas utilisée. Inversement la pile est mise en ordre de marche en abaissant la
tige, donc par immersion de la lame de zinc entre les lames de charbon.
1. Le
gaz de ville était produit autrefois dans des « usines
à gaz » par distillation « en
vase clos » de la houille (charbon) dans des cornues. Les parois de
celles-ci se recouvraient de carbone dur (semblable au graphite) appelé
« charbon de cornue » dont
on faisait des électrodes.
2. La
pile pourrait fonctionner théoriquement sans bichromate. La réaction électrochimique
serait :
sur le graphite(+) :
sur le zinc (-) :
soit globalement :
|
|
|
la
pile au bichromate
|
L'hydrogène
produit à la surface des électrodes de graphite « polarise
la pile », c'est à dire modifie sa structure et accroît considérablement
sa résistance entraînant une forte chute de l'intensité du courant, donc de
l'énergie électrique produite. Pour éviter cet inconvénient on utilise un
« dépolarisant », un
oxydant qui peut être du bioxyde de manganèse dans le cas ou la pile Leclanché ou du bichromate de potassium pour la pile décrite
ci-dessus. La réaction chimique mise en jeu est alors la suivante :
sur
le graphique (+) :
sur
l'électrode de zinc (-) :
soit
globalement :
Il
n'y a plus cette fois de produit gazeux polarisant. La réaction peut se
produire utilement par échanges d'électrons d'une électrode à l'autre à
travers le circuit d'utilisation. Mais les deux demi-réactions ci-dessus
peuvent se produire également, toutes les deux, au niveau de l'électrode de
zinc par échange direct d'électrons ; l'électrode de zinc est alors rongée
inutilement, sans production d'énergie électrique, c'est pourquoi il faut la
retirer. Il est superflu d'ajouter que cette pile n'est plus utilisée.
HISTOIRE
La
pile au bichromate est due à Poggendorff, physicien allemand (1842). La première
pile fut inventée par Alexandre Volta (1745-1827) en 1800 ; c’était un
empilement alterné de rondelles de cuivre (+) et de zinc (-) séparées par des
rondelles de drap imprégnées d’eau acidulée. la pile à auges de
Cruikshank, les piles de W. Wollaston, de Münk ... sont de même type (couple
Cu-Zn).
Antoine
César Becquerel (1788-1878), polytechnicien, grand père de Jean Becquerel découvreur
de la radioactivité (notice « div 6 ») a découvert la cause
(polarisation) du mauvais fonctionnement de ces piles. Un oxydant peut servir de
« dépolarisant ».
Yohann
Christian Poggendorff (1796-1877) utilise en 1842 le bichromate de potassium
comme dépolarisant et met au point la pile que décrit cette notice.
Poggendorff est connu pour sa mesure des petits angles par l’emploi d’un
petit miroir concave (amplification par levier optique), méthode employée pour
les galvanomètres, magnétomètres, balances ... il est aussi l’auteur de la
méthode d’opposition pour la mesure des forces électromotrices ; il étudia
la résistance des matériaux, essaya une pile thermoélectrique fer-maillechort
etc ...
En
1877 l’ingénieur français Georges Leclanché (1839-1882) réalise la pile
utilisant le couple carbone (+) / zinc (-) avec le chlorure d’ammonium comme
électrolyte et le bioxyde de manganèse comme dépolarisant. Perfectionnée par
Fery, cette pile devient une « pile sèche ».
Une
autre solution au problème de la polarisation est la pile impolarisable, réversible,
à deux liquides. C’est ce principe que le physicien anglais John-Frédéric
Daniell (1790-1845) met en œuvre en 1836 dans la pile qui porte son nom :
électrode
Cu / solution Cu2+ / solution Zn2+ / électrode Zn
Daniell
est aussi l’inventeur de l’hygromètre à condensation (notice « flu 4
- 2 »). La pile Bunsen (1842) est aussi une pile à deux liquides (Zn/H2SO4/HNO3/C).
Haut
de page
Retour à la page de présentation
OBJET :
eld 1 - 2
|
|
|
Boîte
de résistances
|
Introduite
dans un circuit ou dans un réseau elle constitue une portion de circuit de résistance
connue et choisie, de capacité et d'auto-inductance négligeables.
Une
boîte en bois, fermée par un couvercle d'ébonite (isolant de bonne qualité,
très utilisé à l'époque ) contient des bobines de fil résistant
que l'on associera en série. Le fil utilisé est un alliage de cuivre
(82 %) de nickel (13 %) et de manganèse (15 %). Cet alliage,
appelé manganine, est choisi parce que sa résistivité, relativement élevée,
varie peu avec la température. Cependant la résistance affichée correspond à
une température (18,5°C) indiquée sur la boite. Le fil est replié sur lui-même
avant d'être enroulé sur un cylindre isolant (figure 1) afin de réduire
l'auto-inductance. Les extrémités du fil d'une bobine traversent le couvercle
et sont au contact de gros plots de cuivre.
|
|
|
les
résistances bobinées (fig 1)
|
Les
plots ... P1 P2 P3 ... associent les bobines
... B1, B2 ... en série. Toutefois quand une cheville
telle que C est enfoncée entre 2 plots (P2 ,P3 ) elle
introduit en parallèle avec B2 une
résistance très faible (de l'ordre de 0,1 ohm).
La résistance équivalente est alors du même ordre et sera négligée dans les
conditions d'emploi. Enfoncer une cheville revient dont à supprimer du circuit
la résistance correspondante.
On
peut prévoir en série, des résistances telles que 1, 2, 2, 5, 10, 20, 20, 50, 100, 200, 200, 500 et 1000 Ohms permettant de réaliser
toutes les valeurs comprises entre 0 et 2 110 Ohms. Cette réalisation présente
un inconvénient (si l'on recherche une grande précision) : elle fait
varier le nombre des chevilles qui introduisent des résistances parasites.
|
|
|
la
boîte à décades (fig 2)
|
Dans
le montage de la figure 2, on fait intervenir 4 décades ; une seule
cheville introduit un nombre de résistances égal au nombre en regard duquel on
a enfoncé la cheville (exemple de la figure : 3 ohms, 0 dizaine, 7
centaines, 4 milliers, soit 4703
). Pour qu'il en soit ainsi, les
bobines sont reliées aux plots comme l'indique la figure 1.
Conditions d'utilisation :
Pour
éviter tout échauffement (modifiant les résistances, et éventuellement
destructeur), il faut limiter l'intensité du courant et son temps de passage.
Capacité et auto-inductances ne seront négligeables qu'en courant continu ou
en très basses fréquences.
Pour
la mesure de très faibles résistances, les
résistances des clés et plots ne seront plus négligeables.
HISTOIRE
Il
semble que ce soit George Simon Ohm, physicien allemand (1789-1854) qui ait, le
premier défini avec précision le concept de résistance et celui de résistivité
en découvrant, en 1827, la loi fondamentale qui port son nom.
Haut
de page
Retour à la page de présentation
OBJET : eld 1 - 3
Sert
à la mesure de résistances par la méthode dite du pont de Wheatstone.
Mesure
Considérons
le schéma de principe (figure 1) :
x est la résistance à mesurer, R une
résistance connue avec précision, r1
et r2 deux résistances
dont il suffit de connaître le rapport. Le courant s'annule
dans le galvanomètre lorsque la condition :
est réalisée. En fait R variant
par bonds de un Ohm, on détermine les valeurs
R1 et R2 = R1
+ 1 telles que, passant
de
l'une à l'autre, le courant s'inverse dans le galvanomètre.
Supposons
d'abord r1 = r2 ; on peut dire que
x est compris entre R1 et R2
l'incertitude étant inférieure à un ohm.
Réalisons
maintenant le rapport
. Le courant s’annule pour R = 10 x
On détermine alors les valeurs
telles que le courant s’inverse
en passant de
à
. On peut dire que x est compris entre
.
L’incertitude
est alors inférieure à 0,1 Ohm.
Enfin,
en adoptant le rapport
, on obtiendra x
compris entre
, avec
avec une incertitude est inférieure
à 0,01 ohm.
On
ne peut guère utiliser de rapports
inférieurs à 1/100, qui révéleraient une insuffisante sensibilité du
galvanomètre ou les imperfections de la boîte de résistances (par exemple :
déviation différente pour R = 10 ou pour R = 1 + 2 + 2 + 5).
Mais on peut affiner la mesure : soit
la déviation (en valeur absolue)
du galvanomètre pour
et
la déviation (en valeur absolue)
pour
, on peut admettre l'approximation
linéaire :
permettant
le calcul de x.
Un rapport
supérieur à 1 (10, 100,
1000) permet la mesure d'une résistance supérieure à la valeur maximale de R
fournie par la boite.
Description
La boite à couvercle d'ébonite (fig. 2) intègre la résistance R
construite comme la boite de résistances décrite dans la fiche correspondante
(voir objet « eld 1 - 2 »), les résistances r1
et r2 , les interrupteurs I1
et I2 placés dans la diagonale de la pile et dans celle du galvanomètre
ainsi que des connections internes représentées en pointillés. Dans le schéma
de la fig.2 les larges plots de cuivre sont représentés par des traits
interrompus par de petits cercles qui représentent les emplacements
possibles pour les chevilles. Les flèches indiquent comment doivent se
faire les connections extérieures : pile entre A et B galvanomètre entre
C et D, résistance à mesurer entre A et C. Les notations des figures 1 et 2
sont les mêmes.
HISTOIRE
Sir
Charles Wheatstone (Glowcester 1802 – Paris 1815) inventa « le pont »
qui porte son nom en 1844.
Commis
chez un marchand d’instruments de musique il fit (1823) des expériences
d’acoustique concernant la résonance dans une colonne d’air, la
transmission du son par les solides. Il inventa une machine parlante en 1831 et
fut nommé professeur au King’s Collège de Londres en 1834. La même année,
expériences sur : la « vitesse de
l’électricité » en 1837 ; nouvelles expériences sur le son,
invention du « kaléidoscope optique »
en 1838 ; stéréoscope (perfectionné ultérieurement par Brewster. Le 1er
février 1838, il prit un brevet sur le télégraphe à cadran (notice
« eld 3 - 3 »). En 1840, premiers essais de télégraphie par câble
sous-marin.
Autre
inventions : « télégraphe écrivant », « pseudoscope »
(stéréoscope dans lequel on intervertit la place des deux images, ce qui fait
apparaître en creux ce qui est en relief et vice et versa), un photomètre, le
rhéostat.
Il
a écrit « Physiologie de la vision »
(1852), « Microscopie binoculaire »
(1853), « Progression arithmétique »
(1854-1855), « Télégraphe
automatique » (1859).
La
boite à pont porte la marque « Carpentier ».
Jules Carpentier (1851-1921), ingénieur français construisit de nombreux
appareils de mesure de haute précision. Il réalisa les premiers périscopes et
les premiers appareils de cinéma conçus par les frères Lumière.
Haut
de page
Retour à la page de présentation
OBJET :
eld 1 - 4
Appareil pour la mesure d'une résistance par la méthode du Pont de
Wheatstone.
La
figure 1 donne le schéma de principe. x est la résistance à mesurer, R une résistance connue
avec précision, fournie par une boîte à résistance (voir objet « eld 1 - 2 »).
C représente un contact mobile (curseur) se déplaçant sur un fil métallique
tendu BCD homogène et de section constante.
Les
résistances r1 et r2 sont respectivement
proportionnelles aux longueurs l
de BC et L-l de CD (L est la longueur
fixe totale). Le courant dans le galvanomètre G s'annule lorsqu'est vérifiée la relation :
La
figure 2, moins schématique, représente la réalisation pratique. Une planche
isolante porte des barres de cuivres de dimensions suffisantes pour constituer,
lorsqu'elles sont traversées par des courants faibles, des volumes équipotentiels,
dont chacun est représenté par un point sur la figure 1.
Plusieurs
bornes peuvent correspondre à un même
« nœud » (au sens donné à ce mot dans les lois de Kirchhoff) afin de
faciliter les connections avec les appareils extérieurs (résistance à
mesurer, boîte de résistances, galvanomètre, générateur).
Dans
des conditions normales l'incertitude porte essentiellement sur la position du
curseur C (incertitude sur l). Un
calcul d'erreurs montre que la précision est maximale pour l
voisin de L/2 soit
pour R voisin de x. On fera donc une première mesure, cette condition n'étant pas
réalisée (x inconnu), puis on fera
une seconde mesure en prenant, pour R la valeur la plus voisine de la valeur
obtenue pour x dans la première
mesure. Les précautions à prendre sont les mêmes que pour l'utilisation de la boîte à pont.
se
reporter à la fiche « eld 1 - 3 » (Boîte à Pont)
Haut
de page
Retour à la page de présentation
OBJET :
eld 1 - 5
FONCTION
Ne
laisser passer dans le galvanomètre qu'une fraction connue du courant à
mesurer.
DESCRIPTION
ET FONCTIONNEMENT
Cet
objet est construit avec des résistances calibrées reliées à des plots que
l'on peut mettre en contact à l'aide d'une cheville comme pour une boite de résistance
(notice « eld 1 - 2 »). Si g
et s sont respectivement les résistances
du galvanomètre et du shunt, le courant dans le galvanomètre sera le dixième,
le centième, le millième du courant à mesurer (ou à détecter) si s
vaut la fraction
(marquée sur
la boite) de la résistance g
du galvanomètre.
HISTOIRE
La
boite porte la marque des ateliers Carpentier. Jules Carpentier (1851-1921), ingénieur
français construisit de nombreux appareils de mesure de précision. Il réalisa
les premiers périscopes et les premiers appareils de cinéma conçus par les frères
Lumière.
Haut
de page
Retour à la page de présentation
OBJET :
eld 1 - 6
(du
grec : rhéos, courant et du latin stare, rester immobile)
FONCTION
Introduire
dans un circuit une résistance variable à volonté.
DESCRIPTION
ET FONCTIONNEMENT
La figure 1 montre comment la
manette tournant dans le sens horaire introduit
de plus en plus de résistances boudinées (sur support isolant) dans le
circuit. Pour simplifier, nous avons réduit à 10 le nombre de plots (nos rhéostats
en comportent 30). Dans le cas figuré les résistances numérotées 1, 2, 3, 4,
5, 6, et 7 sont introduites en série dans le circuit, la
résistance 8 est court-circuitée, et les résistances 9 et 10 sont hors
circuit.
|
|
|
figure
1 : le rhéostat à plots
|
Les résistances sont contenues dans une boite aérée (pour évacuer la
chaleur produite par effet Joule), plots et manette sont situés en avant sur
une plaque de marbre.
HISTOIRE
Ces rhéostats muraux étaient dans les anciens « amphis » et servaient au contrôle du courant utilisé dans
les expériences de cours, notamment pour l'utilisation des arcs électriques.
L'invention du rhéostat est attribuée à
Wheatstone (Sir Charles 1802-1875), dont on pourra lire la biographie dans les
notices « aco 4 » et « eld 1 - 3 ». on trouve dans le
petit traité de physique de Jamin (1870), pages 348 et 349, la description
suivante du rhéostat de Wheatstone :
« Sur
une table de bois sont placés, horizontalement et parallèlement un cylindre de
cuivre C et une vis de bois ou de verre G dont le pas est de 1 mm. tous deux ont
un diamètre égal et peuvent tourner autour de leurs axes dans le même sens et
de la même quantité. Le mouvement est donné au cylindre C par une manivelle P
et se transmet à la vis D par deux roues d’engrenages égales, m et n reliées
par un pignon O. Un fil métallique bien homogène et très fin est enroulé de
D en C sur le métal, de G en H dans les sillons de la vis ; et le nombre
de tours total se mesure par une règle divisée EF et les fractions de tour
sont appréciées par le mouvement d’une aiguille qui parcourt un cercle fixe
aa. »
On aura compris que le cylindre de cuivre court-circuite
les spires de D à C et que la résistance de l’ensemble est celle des spires
de G à H en nombre variable. Le fonctionnement du rhéostat repose sur la loi
d'Ohm.
George Ohm (1789-1854), physicien allemand établit
cette loi en 1827 après avoir précisé les grandeurs électrodynamiques ;
il définit avec précision les concepts de résistance et de résistivité.
Claude Pouillet (1790-1868) redécouvrit le loi
d'Ohm en 1834 (voir notices « mec 2 - 1 » et « eld 2 - 4 »).
|
|
|
figure
2 : le rhéostat à manivelle
|
Haut
de page
Retour à la page de présentation
