Thermoélectricité : comprendre les thermocouples et l'effet Seebeck

Pièces et Matériaux

• Longueur de fil de cuivre nu (non isolé)
• Longueur de fil de fer nu (ou aluminium si indisponible)
• Bougie
• Glaçons

Références Croisées

Lessons In Electric Circuits, Volume 1, Chapitre 9 : « Electrical Instrumentation Signals »

Objectifs d'Apprentissage

• Illustrer comment fonctionne un thermocouple et son but pratique.

Schéma

Illustration

Instructions de l'expérience

1. Tordez un bout du fil de fer à un bout du fil de cuivre. Connectez les bouts libres à une barrette de bornes. Réglez un voltmètre sur sa plage la plus sensible et connectez-le aux bornes de la barrette. Le mètre devrait lire une tension presque nulle.

2. Cet assemblage est un thermocouple, un dispositif qui génère une tension proportionnelle à la différence de température entre sa jonction (la pointe tordue) et les points de référence sur la barrette. Quand la température de la pointe égale celle de la barrette, la tension est nulle.

3. Allumez une bougie et insérez la pointe tordue dans la flamme. Observez le voltmètre : une tension positive devrait apparaître. Retirez la pointe, laissez-la refroidir, et confirmez que la tension revient près de zéro.

4. Touchez la pointe à un glaçon. Enregistrez la tension ; notez si elle est plus grande ou plus petite que la lecture flamme et si sa polarité s'inverse. Puis réchauffez la pointe en la tenant entre vos doigts et observez la tension tendre vers zéro.

5. L'expérience démontre l'effet Seebeck — la génération d'une tension due à un gradient de température le long d'un conducteur. Les thermocouples exploitent ce principe ; la tension est la différence entre les tensions Seebeck des deux métaux dissemblables.

Contexte Scientifique

Un thermocouple consiste en deux métaux différents joints à une extrémité. Quand la jonction expérimente une différence de température relative aux autres extrémités, chaque métal développe sa propre tension Seebeck. La tension mesurée est la différence entre ces deux tensions :

Puisque la relation entre différence de température et tension est reproductible et largement linéaire, les thermocouples sont largement utilisés comme capteurs de température fiables. En sélectionnant différentes paires de métaux, on peut adapter la plage de température mesurable.