Faire un potentiomètre avec une mine de crayon

Avec une simple mine de crayon, on peut réaliser un variateur de lumière pour une lampe à incandescence. Cette expérience illustre le fonctionnement d’un composant électrique familier, appelé « potentiomètre ».


Fiche d’accompagnement de l’expérience:
 

Matériel
  • une mine de crayon (longueur : 10 cm ; diamètre : environ 2 mm) ;

  • une ampoule de lampe de poche (puissance 1 W pour environ 2 V) ;

  • éventuellement un support à vis pour la lampe ;

  • un générateur adapté (idéalement une source de tension réglable) ou bien une pile ;

  • des fils électriques, du fil métallique, des pinces crocodile…

Montage et réalisation

Utiliser deux fils pour connecter les extrémités d’une mine de crayon aux pôles de la pile ou du générateur

Brancher deux autres fils électriques aux bornes d’une lampe à incandescence. Relier l’un des fils au pôle positif du générateur. L’extrémité libre du deuxième fil servira de contact mobile (dénuder cette partie si c’est nécessaire).
Placer le contact mobile sur la mine de crayon. La lampe s’éclaire plus ou moins selon la distance entre le contact mobile et la partie de la mine reliée au pôle négatif : plus cette distance est courte et plus la lampe brille.
Si on dispose d’un générateur de tension variable, il faudra éventuellement modifier la tension délivrée par le générateur pour optimiser l’effet, c’est-à-dire rendre plus visible la variation de luminosité de la lampe lorsque le contact mobile se déplace.
Ce montage constitue donc un variateur de lumière simple pour la lampe. Veiller à ne pas laisser le courant circuler trop longtemps dans la mine car sa résistance l’amènerait à s’échauffer fortement par effet Joule.

Explications

La mine de crayon contient du graphite qui est un conducteur électrique. Le pourcentage de graphite dépend de la dureté du crayon : une mine HB a une teneur en graphite plus faible qu’une mine 3B. La résistance de la mine dépend de sa longueur (une mine HB de 10 cm de long et de 2 mm de diamètre a une résistance d’environ 20 Ω).
Dans cette expérience, la mine de crayon joue le rôle du potentiomètre dans un montage diviseur de tension. Le contact mobile permet d’utiliser des longueurs variables de graphite et donc de faire varier la tension d’utilisation. Cette tension réglable permet de faire varier la luminosité de la lampe.
La lampe, qui constitue ici la charge, a une résistance qui dépend fortement de la température (la résistance augmente lorsque la température augmente). En réglant la tension délivrée par le générateur on peut ainsi optimiser la répartition des tensions entre la lampe et la mine, c’est-à-dire obtenir une variation sensible de luminosité.
Rappelons que dans un montage diviseur de tension la résistance de la charge doit être très nettement supérieure à la résistance du potentiomètre.

Remarques

La mine de crayon sert ici de potentiomètre. Ce montage permet de régler l’éclairement de la lampe mais ce n’est pas un bon variateur de lumière car le potentiomètre est parcouru par un courant lorsque la lampe est éteinte, ce qui constitue un gaspillage d’énergie. Il faut aussi tenir compte de l’échauffement du potentiomètre pour des puissances élevées.
Ce sont donc en fait d’autres types de montages qui sont utilisés pour les variateurs de lumière. On en trouve actuellement essentiellement de deux sortes. Le premier montage correspond à un transformateur dont le nombre de spires au secondaire est réglable. On peut ainsi régler la tension du circuit secondaire. On branche donc la lampe au secondaire. Les transformateurs adaptés aux puissances élevées (1 kW) sont trop compliqués et relativement chers. C’est la raison pour laquelle on utilise aussi couramment le montage appelé « commande de découpage de phase ».
Pour simplifier, on peut schématiser ainsi le fonctionnement de ce circuit construit à partir de composants électroniques : un interrupteur à commande électronique (triac ou thyristor) permet d’allumer (ou d’éteindre) le courant reçu par la lampe dans des temps très courts (environ 0,01 s). C’est le rapport entre les durées pendant lesquelles la lampe est alimentée ou non alimentée qui détermine l’éclairement moyen de la lampe.
Malgré ces allumages/extinctions répétés on ne voit pas vaciller l’éclairement de la lampe car le filament n’a pas le temps de se refroidir et aussi parce que les impressions rétiniennes ont une certaine persistance. En courant alternatif sinusoïdal (celui qui est utilisé de façon courante pour alimenter les lampes), l’instant d’allumage correspond à l’instant où la tension sinusoïdale s’annule et l’instant d’extinction correspond à une autre valeur de la phase de la tension, déterminée dans la même période en fonction du résultat souhaité. C’est là l’origine du nom de ce montage.

 

Références

Université en ligne : diviseur de tension

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