Question centrale

Comment les différents types de liquide influent sur la résistance électrique de la matière terrestre ?

Matériel requis

• Au moins 3 gobelets en papier ou en plastique
• Une tasse graduée
• Du sable (recommandé), de la terre ou du gravier fin
• 200 ml d'eau (environ un gobelet)
• 30 g de sel (environ 5 cuillères à café)
• 50 ml d'huile alimentaire (recommandé) ou d'huile de graissage (environ 1/4 du gobelet)
• Un ohmmètre ou multimètre (mètre électronique avec réglage d'ohmmètre)
• 6 fils de cuivre rigides dénudés, de 10 cm de long chacun
• Matériel facultatif mais recommandé :
• 2 fils électriques courts avec des pinces crocodile à chaque extrémité
• Une cuillère pour remuer l'eau
• Un bâtonnet ou tournevis pour remuer le sable
• Des serviettes en papier

Idées principales et notions de base

• La résistance électrique mesure le niveau d'obstacle rencontré par le courant d'électricité lorsqu'il circule à travers une matière. Les équipes chargées de l’exploitation pétrolière étudient la résistivité des matières composant le sous-sol (généralement des couches de roche) afin de déterminer à quels endroits se trouvent les gisements pétroliers.
• La résistance électrique mesure le niveau d'obstacle rencontré par le courant d'électricité lorsqu'il circule à travers un objet donné. Cette résistance dépend de la résistivité électrique des matériaux qui composent l’objet, de sa longueur et de sa section.
• L' ohm est l'unité de mesure de la résistance électrique.
• On peut mesurer la résistance électrique d'un objet à l'aide d'un ohmmètre. Il est plus difficile de déterminer la résistivité électrique d’un matériau donné.
• Au cours de cette opération, nous stimulons la mesure de la résistivité en étudiant la résistance électrique entre les sondes placées dans de la matière terrestre saturée avec différents liquides.
• La matière terrestre sèche a généralement une résistivité électrique importante. Dans notre simulation, l'ohmmètre indique une résistance électrique élevée.
• La matière terrestre saturée en eau a une résistivité électrique relativement faible. La matière terrestre saturée en eau salée a une résistivité électrique encore plus faible. Ceci est dû aux particules chargées, appelées « ions », qui sont présentes dans l’eau salée. Dans notre simulation, cette résistance électrique plus faible se caractérise par une valeur inférieure sur l’ohmmètre.
• La matière terrestre saturée en huile a une résistivité électrique élevée. Comme pour la matière sèche, cette résistivité est exprimée par une résistance électrique élevée sur l'ohmmètre.

Conseils sur le déroulement de l'expérience

• Remplissez chaque gobelet avec la même quantité de sable. (Il est conseillé d’utiliser du sable pour obtenir des résultats les plus cohérents possible.)
• Versez de l’eau dans la tasse à mesurer jusqu'à ce que vous atteigniez 200 ml ou l'équivalent d'une tasse. Puis ajoutez 30 g de sel (environ 5 cuillères à café) et mélangez jusqu’à ce qu’à complète dissolution du sel. S’il reste du sel, ajoutez un peu d’eau et mélangez de nouveau.
• Ajoutez un peu d’eau dans le sable du gobelet A. Mélangez le sable à l'aide d'un bâton ou d'un tournevis. Continuez à ajouter de l'eau petit à petit et mélangez le sable jusqu'à ce qu'il soit totalement humidifié. Si de l’eau apparaît sur le dessus du sable, absorbez cette eau avec un essuie-tout.
• Pour le gobelet B, nous vous conseillons fortement d’utiliser de l’huile végétale au lieu de l’huile de graissage. Versez seulement une petite quantité d’huile à la fois. Procédez lentement. Attendez suffisamment longtemps pour que l’huile soit absorbée par le sable. Mélangez le sable à l’aide d’un bâton ou d’un tournevis jusqu’à ce que toutes les particules soient imprégnées d'huile. Ne pas sursaturer le sable d’huile
• Vous pouvez utiliser des fils équipés de pinces crocodile (facultatif) pour brancher les fils de la sonde aux bornes de l'ohmmètre ou du multimètre.
• Pour commencer, réglez l'ohmmètre ou le multimètre sur une échelle de 10 kohms (10 000 ohms). (Le symbole de ohm est O.) Essayez d'autres échelles si vous n'obtenez aucun relevé.
• N'oubliez pas de remettre l'ohmmètre à zéro lors du changement d'échelle. Pour cela, mettez les deux sondes en contact et tournez le bouton de réglage jusqu'à ce que l'aiguille lise zéro ohm. Ceci permet d’améliorer la précision de la mesure.

Discussion

1. Quelle valeur l'ohmmètre a-t-il mesurée ?
   Réponse : L’ohmmètre a permis de mesurer la résistance électrique du sable sec ainsi que la résistance du sable saturé par différents liquides.

2. Qu'est-ce que le ohm ?
   Réponse : L'ohm est l'unité de mesure de la résistance électrique. Tout comme les centimètres mesurent la distance, les ohms mesurent la résistance électrique.

3. Quelles étaient les différentes valeurs de résistance électrique pour chaque gobelet ?
   Réponse : Le sable sec et le sable saturé en huile ont une résistance électrique relativement élevée tandis que le sable saturé en eau salée a une résistance électrique plus faible.

4. Pourquoi la résistance électrique du sable change-t-elle selon le type de liquide utilisé pour la saturation ?
   Réponse : Chaque liquide a une résistance électrique qui lui est propre.

5. Que se passerait-il si une plus grande distance séparait les fils électriques placés dans un gobelet rempli d'eau salée ?
   Réponse : Si les fils sont trop éloignés les uns des autres, il est fort probable que la résistance électrique augmente. Ceci est dû au fait que le courant électrique circulant entre les deux fils électriques devrait traverser plus de matière.

6. En quoi cette activité s'applique-t-elle à la vie réelle ?
   Réponse : Les compagnies d'exploration pétrolière se servent de caractéristiques électriques similaires pour détecter les gisements de pétrole souterrains.

Evaluation

Les élèves sont-ils capables de décrire comment les différents types de liquide peuvent avoir un effet sur la résistance électrique de la matière terrestre ?

Réponse : La matière sèche et celle humidifiée avec l’huile ont une résistance électrique plus élevée que la matière humidifiée avec de l’eau salée.

Variantes et autres études

• Demandez aux élèves de renouveler l'expérience avec cette fois-ci
  – d'autres types de matière terrestre ;
  – différentes quantités de terre dans chaque gobelet ;
  – différentes quantités de liquide de saturation dans la terre ;
  – différentes quantités de sel dans l’eau ;
  – différents liquides ;
  – variations de distance entre les fils dans chaque gobelet ;
  – fils électriques de forme et de taille différentes.
  Remarque : Pour obtenir de meilleurs résultats, essayer une seule variante à la fois.

• Avant que les élèves se lancent dans ces nouvelles expériences, demandez-leur de deviner le résultat de chacune d'entre elles et d'expliquer leurs réponses. Ils devront ensuite comparer leurs estimations avec les résultats obtenus et argumenter les écarts éventuels constatés.

Applications industrielles

• Carrières dans le secteur pétrolier, en particulier l'exploration pétrolière
• Chimie
• Electronique
• Génie électrique

Corrélations avec les standards éducatifs anglo-saxons

United States: Cet exercice rel¨¨ve de certaines parties de la norme NSES Content Standard A, Science as Inquiry et Content Standard G, History and Nature of Science, Grades 5-8 et 9-12 ainsi que des normes suivantes :

Grades 5-8
Standard B – Physical Science: B1, B3
Standard D – Earth and Space Science: D1

Grades 9-12
Standard B – Physical Science: B6

Britain: Cet exercice rel¨¨ve de la norme anglaise relative ¨¤ l'enseignement Sc1, ? Science Enquiry ? ainsi qu'aux normes suivantes :

KS3, Sc1, Sc4 : 1b, BoS : 1a, b, d, e
KS4, Sc1, Sc2 : 3b, Sc3 : 1h, Sc4 : 1b, BoS : 1a, b, d, e

Glossaire/vocabulaire

résistivité électrique
résistance électrique
ohm

Liens

Ces sites (en anglais) vous proposent différentes perspectives sur la résistivités et la résistance :

HyperPhysics

Wikipedia

It's Resistivity, not Resistance
Université de Melbourne