Rhéostats : Matériaux, construction et applications
Un rhéostat est un type de résistance variable qui peut ajuster le courant ou la tension dans un circuit électrique. Les rhéostats sont souvent utilisés comme dispositifs de contrôle de puissance, tels que le contrôle de la vitesse d'un moteur électrique, l'intensité lumineuse d'une lampe, ou la température d'un four électrique. Les rhéostats sont également utilisés pour mesurer des tensions inconnues ou des différences de potentiel en les équilibrant avec des valeurs connues.
Qu'est-ce qu'un rhéostat?
Un rhéostat est défini comme un dispositif capable de varier la résistance dans un circuit électrique en changeant la position d'un point de contact le long d'un élément résistif.
L'élément résistif peut être un fil métallique, une tige de carbone, ou une solution liquide. Le point de contact peut être un terminal coulissant, un bouton rotatif, ou un bras balai.
La résistance d'un rhéostat dépend de la longueur et de la section transversale de l'élément résistif, ainsi que du matériau dont il est fait. La résistance peut être calculée en utilisant la formule :
où R est la résistance, ρ est la résistivité du matériau, l est la longueur de l'élément résistif, et A est la section transversale.
Le courant à travers un rhéostat peut être contrôlé en déplaçant le point de contact plus près ou plus loin d'une extrémité de l'élément résistif. Plus le point de contact est proche d'une extrémité, plus la résistance est faible et plus le courant est élevé. Plus le point de contact est éloigné d'une extrémité, plus la résistance est élevée et plus le courant est faible.
Comment sont construits les rhéostats?
Les rhéostats peuvent être construits de différentes manières en fonction de leurs applications et spécifications. Voici quelques types courants de rhéostats :
Rhéostats à fil enroulé : Ceux-ci sont fabriqués en enroulant un long fil de matériau à haute résistivité autour d'un noyau isolant, tel que de la céramique ou du plastique.
Le fil peut être enroulé en spirale ou en forme hélicoïdale. Un terminal coulissant ou un bouton rotatif peut se déplacer le long du fil pour changer la résistance. Les rhéostats à fil enroulé sont adaptés aux forts courants et aux faibles tensions.
Rhéostats à carbone : Ceux-ci sont fabriqués en utilisant une tige ou une plaque de carbone comme élément résistif. Un bras balai peut se déplacer le long de la surface de carbone pour changer la résistance. Les rhéostats à carbone sont adaptés aux faibles courants et aux hautes tensions.
Rhéostats liquides : Ceux-ci sont fabriqués en utilisant une solution conductrice liquide, telle que de l'eau salée ou de l'acide, comme élément résistif. Deux électrodes sont immergées dans le liquide et connectées à la source d'alimentation et à la charge. La distance entre les électrodes peut être modifiée pour changer la résistance. Les rhéostats liquides sont adaptés aux très forts courants et aux faibles tensions.
Quels matériaux sont utilisés pour les rhéostats?
Les matériaux utilisés pour les rhéostats doivent avoir une forte résistivité, une haute température de travail, une haute résistance à la corrosion, une résistance mécanique appropriée, une ductilité adéquate, et un coût bas. Voici quelques matériaux couramment utilisés pour les rhéostats :
Platine : La platine est un métal noble qui a une très forte résistivité et un point de fusion élevé. Elle a également une forte résistance à l'oxydation, une grande ductilité, une grande malléabilité, une bonne résistance mécanique, et une bonne stabilité face aux variations de température et de contrainte mécanique. Cependant, la platine est très chère et rare, donc son utilisation en génie électrique est limitée aux fours de laboratoire, aux thermomètres de résistance, et à certains rhéostats.
Constantan : Le constantan est un alliage de cuivre et de nickel qui a un faible coefficient de température de résistance, ce qui signifie que sa résistivité reste constante sur une large plage de températures. Il a également une forte résistance à l'oxydation, une bonne résistance mécanique, et une bonne stabilité face aux variations de température et de contrainte mécanique. Le constantan est largement utilisé pour les connexions électriques dans les instruments, tels que les résistances de shunt, les résistances en série, les résistances de marais, les résistances standard, et les rhéostats.
Nichrome : Le nichrome est un alliage de nickel et de chrome qui a une forte résistivité et un point de fusion élevé. Il a également une forte résistance à l'oxydation et à la corrosion, une bonne résistance mécanique, et une bonne ductilité. Le nichrome est largement utilisé pour les éléments chauffants et les rhéostats à fil enroulé.
Quelles sont les applications des rhéostats?
Les rhéostats ont de nombreuses applications dans divers domaines de l'ingénierie et de la science. Voici quelques exemples :
Contrôle de puissance : Les rhéostats peuvent être utilisés pour contrôler la puissance de sortie de dispositifs tels que des moteurs électriques, des lampes, des fours, etc. En variant la résistance d'un rhéostat en série avec un dispositif, la tension ou le courant fourni à celui-ci peut être ajusté.
Diviseur de tension : Les rhéostats peuvent être utilisés pour diviser une source de tension en fractions plus petites en les connectant en série. En variant la résistance d'un ou plusieurs rhéostats dans un circuit diviseur de tension, différentes tensions de sortie peuvent être obtenues.
Potentiomètre : Les rhéostats peuvent être utilisés pour mesurer une tension inconnue ou une différence de potentiel en l'équilibrant avec une valeur connue. Un potentiomètre est un type de rhéostat qui a trois bornes : une connectée à une extrémité fixe de l'élément résistif, une connectée à un point de contact variable le long de celui-ci, et une connectée à un circuit externe. En ajustant la position du point de contact jusqu'à ce qu'aucun courant ne circule (c'est-à-dire lorsque les deux tensions sont égales), la tension inconnue peut être déterminée.
Jauge de contrainte : Les rhéostats peuvent être utilisés pour mesurer la contrainte (c'est-à-dire la déformation) dans les matériaux en changeant leur résistance lorsqu'ils sont soumis à une force. Une jauge de contrainte est un type de rhéostat qui a deux bornes connectées aux extrémités opposées d'une fine feuille de métal attachée à un objet sous contrainte. Lorsque l'objet se déforme sous l'effet de la force, la feuille de métal se déforme également ; cela change sa longueur et sa section transversale (et par conséquent sa résistance). En mesurant ce changement de résistance à l'aide d'un circuit électrique (tel que le pont de Wheatstone), la contrainte peut être calculée.
Conclusion
