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⚡ Électricité et magnétismePremière → Terminale (voie techno)

🔌 Fusible et disjoncteur : l'effet Joule qui protège

Bouilloire, fer à repasser et radiateur sur la même multiprise : mauvaise idée ? Branche, regarde le câble rougir, la fumée monter… et le fusible fondre juste à temps. Ou pas : avec un disjoncteur trop gros, le fil peut surchauffer sans que rien ne coupe. Ici, tu peux même retirer toute protection et provoquer un court-circuit, sans risque pour ta maison.

🧪 Mode d'emploi : règle les curseurs (à droite, ou sous l'animation sur téléphone), lance avec ▶, observe les mesures et relève les 🎯 défis. Le bouton ⛶ agrandit l'animation, idéal sur téléphone à l'horizontale.

Ce que tu vois

  • Chaque appareil branché ajoute sa puissance : l'intensité dans le câble vaut I = P / U. Avec 5 700 W sous 230 V, près de 25 A traversent le même cordon !
  • Le câble chauffe par effet Joule, PJ = R I² : doubler l'intensité multiplie la chaleur par 4. Sa température monte puis se stabilise quand il évacue autant de chaleur qu'il en reçoit.
  • Un fil plus fin (section S plus petite) a une plus grande résistance R = ρ × 2L / S : il chauffe davantage pour le même courant. Au-delà de 70 °C, l'isolant en PVC se ramollit ; vers 160 °C, il brûle.
  • Le fusible est un fil calibré qui fond quand l'intensité reste trop grande ; le disjoncteur coupe grâce à un bilame qui se tord en chauffant (surcharge) ou à un électroaimant (court-circuit, coupure en 10 ms).
  • La protection doit être choisie pour le fil : un disjoncteur de 32 A sur un fil de 1,5 mm² laisse le fil surchauffer sans jamais couper.

Expériences à faire

  • Combien d'appareils peux-tu brancher sur un disjoncteur 16 A avant qu'il ne coupe ? Et combien de temps met-il à couper ?
  • Remplace le câble de 1,5 mm² par un câble de 2,5 mm² : sa température d'équilibre baisse-t-elle beaucoup ?
  • Passe la tension à 120 V (comme aux États-Unis) : que devient l'intensité pour les mêmes appareils ?
  • Provoque un court-circuit avec un fusible, puis avec un disjoncteur : lequel coupe le plus vite ?
  • Sans protection, en court-circuit, un câble court fond-il plus vite ou moins vite qu'un câble long ? Pourquoi ?

La physique derrière l'animation

  • Appareils en dérivation : les puissances s'ajoutent, P = P1 + P2 + … et l'intensité dans le câble commun vaut I = P / U.
  • Résistance d'un câble à deux fils de longueur L et de section S : R = ρ × 2L / S, avec ρcuivre = 1,7 × 10−8 Ω·m.
  • Effet Joule : un conducteur ohmique parcouru par un courant convertit l'énergie électrique en énergie thermique : PJ = R × I² et E = PJ × Δt.
  • Protections : le fusible fond et doit être remplacé ; le disjoncteur se réarme ; il coupe par effet thermique (bilame) en cas de surcharge et par effet magnétique en cas de court-circuit, où Icc = U / Rcircuit devient énorme.
  • Le calibre In protège le câble : 1,5 mm² → disjoncteur 16 A ; 2,5 mm² → disjoncteur 20 A. Le modèle thermique de l'animation est simplifié (température uniforme du câble).

Et maintenant, on passe aux choses sérieuses ? 😉

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