Sciences et technologie

Septembre 2016        L'ascenseur hydraulique

 

Cet appareil se compose d'un réservoir d'eau, de deux tuyaux transparents, d'une pompe électrique, d'une grosse seringue en plastique transparent dont le piston est relié à un plateau.

Quatre poutres meccano guident les mouvements du plateau.

 

Lorsqu'on alimente la pompe en électricité, on voit le réservoir se vider et la seringue se remplir. On aperçoit quelques bulles d'air qui parcourent les tuyaux, du réservoir vers la seringue. C'est la pompe qui propulse l'eau dans le circuit.

 

Schéma de l'ascenseur hydraulique :

 

 

 

Lors des essais, nous avons constaté que l'ascenseur pouvait soulever de lourdes charges (plusieurs kilogrammes). Des élèves qui ont voulu retenir le plateau n'y sont pas parvenu !

Ce petit dispositif hydraulique développe une grande force, pourtant la pression exercée par la pompe est d'à peine 2 bars (moins que la pression de l'eau au robinet).

Dans l'industrie, les systèmes hydrauliques avec pompe et vérins en métal fonctionnent à plus de 150 bars, c'est pourquoi ils peuvent exercer des forces de plusieurs tonnes (pelles et mini-pelles, engins de chantier, grues, bulldozers, chargeuses, élévateurs, presses hydrauliques...).

 

Pour mercredi 21 : rechercher des images d'engins de chantier ou d'atelier comportant des vérins hydrauliques, pour illustrer la leçon. Rechercher des vidéos.

 

 

Circuits pneumatiques

Voir ici

Nous observons un circuit Lego. Il est composé d'une pompe manuelle, de tuyaux souples, d'un réservoir d'air, d'une vanne et d'un vérin. Un manomètre permet de connaître la pression d'air.

 

 

Technologie : Marie, Adam, Mathilde et Noémie font la démonstration de la petite grue pneumatique en Lego que leur équipe a construite.

La pompe manuelle :

Le réservoir d'air:

Le vérin pneumatique :

Le manomètre gradué en bars :

La vanne de commande :

Pour la faire fonctionner, il faut d'abord actionner la pompe pour accumuler de l'air dans le réservoir. On obtient une certaine pression, indiquée par le manomètre.

Quand on ouvre la vanne, la flèche de la grue s'élève. Elle peut soulever une petite charge.

On peut recommencer la manoeuvre 5 fois avec la réserve d'air.

Ceci montre que pour effectuer un travail, il faut au préalable une certaine quantité d'énergie.

Ceci est vrai pour tous les systèmes mécaniques.

Par exemple, dans une voiture jouet, il faut une pile pour fournir l'énergie nécessaire au fonctionnement de son moteur électrique.

Dans une voiture à friction, il faut lancer le mécanisme pour qu'elle puisse rouler sur quelques mètres.

Dans une voiture à rétrofriction ou à clef, il faut remonter le ressort pour que la voiture parte à toute vitesse.

Petit véhicule Lego à moteur mécanique que l'on remonte à l'aide de la clef rouge:

La roue motrice en mouvement après remontage du ressort :

 

 

Observez, réfléchissez et trouver quelles sont les ressemblances et les différences entre les trois systèmes suivants :

- la grue pneumatique,

- la voiture à clef,

- la voiture à friction,

- le véhicule électrique,

- un véhicule à moteur thermique (essence, gazole, autre...)

Réponses :

Ils possèdent tous une réserve d'énergie : le réservoir d'air comprimé, le ressort, le volant d'inertie, les piles, le réservoir de carburant.

Chacun possède un "moteur" différent : le vérin, le ressort et ses engrenages, le volant d'inertie et ses engrenages, le moteur électrique, le moteur thermique...

 

Devoir sur feuille : texte lacunaire à compléter avec le lexique

La grue pneumatique
Les expériences avec les seringues nous ont appris que l'air est
élastique et compressible : on peut l'étirer ou le comprimer.
Dans notre système pneumatique, on accumule de l'air dans un
réservoir grâce à la pompe manuelle. Plus on pompe, plus on sent une résistance. Il faut fournir un effort de plus en plus important. Comme on fait entrer plus d'air que le réservoir ne peut en contenir quand il est simplement ouvert à l'air libre, la pression augmente dans le réservoir.
Le
manomètre nous indique que nous pouvons monter jusqu'à 2 ou 3 bars (une unité de mesure de la pression).
Dans le réservoir, on a
accumulé une certaine quantité d'énergie qui reste en réserve jusqu'au moment où l'on en a besoin. On dit que de l'énergie mécanique est stockée dans le réservoir.
Lorsque l'on ouvre la
vanne, l'air sous pression s'écoule dans les tuyaux et agit sur le piston du vérin. La pression de l'air exerce une force qui se traduit par un mouvement du vérin.
On remarque que l'action du vérin est prolongée par un
levier qui soulève la charge. On ne peut soulever celle-ci que cinq ou six fois avec un même "plein" d'air : la quantité d'énergie disponible est limitée.
- L'air sous pression exerce un
travail. mécanique. Ce dispositif montre que l'énergie peut être emmagasinée (stockée) pour servir plus tard.
- Dans le jouet mécanique à clef, c'est le
ressort qui accumule de l'énergie et qui peut ensuite faire tourner les roues. Comme l'air, le ressort est déformable et élastique.
- Sur la voiture électrique (jouet), c'est une
pile rechargeable qui sert de réservoir d'énergie. Comme le réservoir de la grue pneumatique, elle peut se vider puis se recharger de son énergie.

 

Observation d'une pelle hydraulique en fonctionnement lors d'une sortie en colline. Observer les vérins les tuyaux, les pivots et les leviers:

 

 

 

Randonnée sur la colline de Sainte Croix.
 
Itinéraire : portillon ouest de l'école - Boulevard Alphonse David.
Allée de la Grand'Vigne - Avenue Métaireau - Chemin de Ste Croix puis sentier caillouteux.
Observation du paysage et jeu de cache-cache.
 
 
 
 
Questions "sciences de la vie"
- Pourquoi a-t-on chaud lorsqu'on marche longtemps ou que l'on fait un effort ?
Pourquoi le corps reste-t-il à 37°C même pendant son sommeil ?
- Observer les roches qui nous entourent et qui forment les collines. De quelle nature de roche s'agit-il, et comment ont-elles été créées ?

 

Reconstitution de l'itinéraire de la randonnée:

Pour jeudi : Sur la photo aérienne ci-dessus, repérer la villa où est garée actuellement la 403 Peugeot, puis celle où se trouve l'éolienne.

 

Octobre:

Observez, réfléchissez et trouver quelles sont les ressemblances et les différences entre les trois systèmes suivants :

- la grue pneumatique,

- la voiture à clef,

- la voiture à friction,

- le véhicule électrique,

- un véhicule à moteur thermique (essence, gazole, autre...)

 

Compléter les schémas présentés.

 

Etablir des similitudes entre les verbes d'actions, les noms, les adjectifs donnés...

 

Actions équivalentes : pomper l'air comprimé - remplir le réservoir d'essence - remonter un ressort - lancer le moteur à friction (= apporter de l'énergie)

Objets jouant le rôle d'accumulateurs d'énergie : le volant d'inertie - le ressort spiral - le réservoir d'air comprimé - le réservoir d'essence

 

Expériences avec des seringues remplies d'air

Seringues bouchées avec le pouce, piston poussé ou tiré; seringues reliées par un tuyau, transmission de mouvement

Découverte des propriétés de l'air qui se révèle compressible et élastique.

Expériences avec des seringues remplies d'eau

 

1/ Remplir la seringue avec de l'eau. La boucher avec le pouce ou l'index de l'autre main et tenter de comprimer l'eau. Que remarque-t-on ?

Quand on essaie de comprimer l'eau, on ressent immédiatement une résistance. Le piston ne peut plus bouger.Tout se passe comme s'il était bloqué. On comprend que l'eau n'est pas élastique.

On peut dire qu'elle est incompressible.

Même constat si l'on essaie d'étirer la seringue : le piston ne bouge.

 

2/ Observe-t-on une bulle d'air dans le corps de la seringue ? Si oui, que remarque-t-on ? Quand on comprime la seringue, on voit la bulle qui rapetisse. Quand on étire le corps de la seringue, on voit que la bulle grossit.

Cela nous montre que seul l'air est élastique.

 

3/ Grâce à un tuyau, je relie une seringue remplie d'eau à une seringue vide, puis je pousse le piston.

Que se passe-t-il ?

Je remarque que l'eau passe d'une seringue à l'autre, et que le piston de la seconde seringue bouge aussi. On transmet un mouvement.

 

Avec l'autre classe de CM2

Seringue bouchée :

- Le piston ne peut pas bouger. Son déplacement est impossible car l'eau n'a pas de sortie, du coup elle reste dans la seringue. Léonard et la classe

- On ne peut pas y arriver car l'eau ne se comprime pas. Anaïs

- Ce n'est pas possible parce que l'eau n'est pas élastique comme l'air. Sohane

- L'eau est un liquide incompressible.

 

4/ Seringues reliées par un tuyau. On mesure le déplacement des pistons en utilisant une règle graduée.

 

Andreas et Sohane : 3,5 cm et 8,1 cm  

Carla et Mathilde : 7,4 et 7,4 cm (seringues identiques)

Emma et Julia : 7,4 et

Aurélie et Mathilde : 7,5 et 3,2

Camille et Eloïse : 7,6 et 3 cm

Esteban: 7,6 cm et

Solal et Noa : 3,9 et 7,8 cm

Noah et Salomon : 4 cm et 7 cm

Clayman et Paul : 6,7 cm et 4,1 cm

Pablo : 2,5 et 5 cm

Anaïs et Léonard : 3 cm et 7,5 cm

Si les seringues sont identiques, les deux pistons se déplacent sur une même longueur.

Si elles sont de tailles différentes, c'est toujours le piston de la petite seringue qui se déplace le plus. C'est normal, puisque les seringues n'ont pas la même contenance. (Andréas)

Mais ce qui est perdu en distance de déplacement est gagné en force.

Ce principe se retrouve dans des systèmes mécaniques comme les poulies, les leviers, les roues dentées.

 

Démonstration du cric hydraulique capable de soulever 2 tonnes.

 

Expériences avec des leviers

 

Avec une règle plate, un crayon et deux gommes identiques, on réalise une petite balance.

On remarque que l'équilibre est obtenu si le pivot est placé au milieu de la règle qui joue le rôle du fléau.

Si les gommes sont placées à la même distance du pivot, l'équilibre est maintenu.

Dans le cas ci-dessous, une seule gomme parvient à en équilibrer deux car elle est placée deux fois plus loin par rapport au pivot:

 

Démonstration avec le palan de voile.  

   

Je dessine les poulies et le palan.

 

 

 

Les mouvements et leurs supports : quelques notions

 

En mécanique, on distingue les mouvements de rotation et les mouvements de translation.

Rotation : ce qui tourne, ce qui pivote

Translation : ce qui glisse selon une ligne

Rotations observables dans la classe : portes et fenêtres sur leurs gonds, tableau et portes d'armoires sur charnières, poignée des portes et fenêtres, robinets... Ces axes de rotation sont pour la plupart verticaux.

En voici d'autres qui ont un axe horizontal: aiguilles de l'horloge, le levier de blocage, les fléaux des balances, l'abattant du wc, les pages d'un livre ou d'un cahier...

Le globe terrestre présente un axe de rotation oblique, comme la manivelle des stores.

 

Translations : les meubles roulants de la bibliothèque, la chaise roulante du bureau, les stores, les cartables à roulettes, la fermeture éclair d'une veste, le TBI qui monte ou descend, le tiroir, la pompe à air et vérins des Lego pneumatiques, et les pistons des seringues lors des expériences, le chariot du pont roulant Meccano.

 

Certains mouvements sont une combinaison de mouvements plus simples (double rotation, rotation et translation...)

 

Nous observons quelques mécanismes simples : roulements à billes, roues dentées, palier en fonte...

C'est l'occasion de reconnaître des matériaux : la fonte, l'acier, le bronze, l'aluminium, les matières plastiques (le nylon):

Arbres en acier poli munis de roulements à billes miniatures :

 

Les billes circulent dans une gorge taillée dans la bague intérieure et la bague extérieure. On remarque que l'acier des roulements est poli pour diminuer les frottements. C'est un acier très dur. De l'huile ou de la graisse viennent réduire encore ces frottements en créant un film souple entre les éléments en contact.

La cage en matière plastique maintient les billes équidistantes.

 

Vidéo montrant le forgeage et l'usinage de roulements

 

Palier en fonte équipé d'un roulement à billes :

 

Palier en nylon blanc qui porte l'arbre de la turbine à eau. On observe le roulement placé à l'intérieur:

 

Un roulement à rouleaux coniques usagé:

 

Roues dentées en bronze d'un vieux compteur à eau :

 

Quelques schémas représentant des mécanismes :

  

Souvent, les mouvements de translation s'accompagnent de frottements importants, c'est pourquoi on a recours à des dispositifs pour améliorer le glissement : roues, roulettes, surfaces polies, huile, graisse, coussin d'eau ou d'air, guides, rails, billes, rouleaux...

Les mouvements de rotation sont assurés par des dispositifs comme les pivots, les gonds, les charnières, les paliers à contact métal/métal ou par des roulements à billes, des roulements à rouleaux, des butées...

En horlogerie, on utilise souvent des pivots (contact sur une surface réduite).

 

La transmission des mouvements de rotation fait appel à des principes proches de celui du levier.

 

 

Technologie : observation des radiateurs de la classe.

 

Depuis quelques jours les radiateurs de la classe sont chauds. Nous remarquons qu'ils sont plus chauds dans leur partie supérieure que dans leur partie inférieure.

Ils sont reliés à deux tuyaux, l'un chaud et l'autre froid.

Que contiennent ces tuyaux et ces radiateurs ? Est-ce de l'air ou de l'eau ?

En ouvrant le robinet de purge, on constate que c'est de l'eau. Ce sont des radiateurs à eau chaude.

Est-ce l'eau du robinet ? Non, car elle sent mauvais: ce n'est certainement pas l'eau potable des installations sanitaires.

 

D'où vient l'eau chaude des radiateurs ? Où va-t-elle ? Pourquoi ne s'évapore-t-elle pas ?

Les radiateurs sont reliés au réseau d'eau par deux tubes : le premier apporte l'eau chaude depuis la chaudière jusqu'aux radiateurs. Le second renvoie l'eau refroidie jusqu'à la chaudière. Angélina (internet)

On devrait plutôt parler de circuit d'eau, car c'est la même eau qui passe et repasse en boucle dans la chaudière et les radiateurs. C'est pourquoi elle ne s'évapore pas : elle tourne en circuit fermé, elle n'est pas en contact avec l'air.

Qu'est ce qui permet à l'eau de "tourner" dans le circuit ?

C'est une pompe à eau appelée le circulateur.

 

 

 

 

Autre séquence avec la classe de CM2 B

 

Technologie

Ce matin, il fait froid à l'extérieur : entre 5 et 7°C.

Mais dans la classe la température est d'environ 23°C.

 

Qu'est-ce qui explique cette différence ?

- Le chauffage fonctionne.

- La classe est fermée, le froid ne peut pas entrer, et la chaleur se conserve dans la classe. C'est grâce à l'épaisseur des murs et à leur isolation.

Comme nous avec nos habits, nos pulls, nos manteaux, les murs sont vêtus d'une couche protectrice, mais celle-ci est placée à l'intérieur. C'est la double cloison.

Le plafond et le plancher sont également isolés par de la laine de verre, ou par un simple espace vide.

Les fenêtres sont elles aussi isolées grâce à un double vitrage.

La double-cloison, la laine de verre, le double vitrage sont des isolants thermiques.

 

Intéressons-nous aux radiateurs de la classe:

- En les touchant en divers points, nous remarquons qu'ils sont chauds en haut et tièdes en bas. Les deux tuyaux qui courent le long de la classe sont également chauds en haut et tièdes en bas.

Comment l'expliquer ?

Supposition de tous : - Les tuyaux doivent amener de l'eau vers les radiateurs.

Comment le vérifier ?

- On ouvre le robinet de purge d'un radiateur : de l'eau chaude coule aussitôt. Cette eau dégage une odeur forte. Ce n'est pas l'eau du robinet, c'est de l'eau qui ne sert que dans le circuit de chauffage. Elle repasse là où elle a été chauffée après avoir été utilisée dans les radiateurs.

Il faut donc qu'une pompe fasse circuler l'eau dans tous les radiateurs de l'école.

 

Visite de la chaufferie:

 

L'arrivée du combustible : le gaz

Tableau de commande électrique et conduite de gaz (jaune):

La façade de la chaudière avec son tableau de bord (noir) et le brûleur (orange):

Le brûleur vu de côté; remarquer la grille d'entrée de l'air nécessaire à la combustion:

  

Le tableau de bord avec le thermomètre, les deux thermostats, les boutons de commande:

Qu'indique ce thermomètre ? Il indique la température de l'eau dans la chaudière.

Le thermomètre est gradué de 5°C en 5°C.

La température de l'eau est de 90°C environ (peut-être 91 ou 92°C)

 

A l'arrière de la chaudière, on aperçoit le conduit de fumée (couleur inox), la vanne de sortie de l'eau chaude (orange), un thermomètre (doré), un circulateur (rouge):

Les gros circulateurs destinés à envoyer l'eau chaude vers les radiateurs de toute l'école :

canalisations de chauffage avec leur isolation en mousse et leurs vannes (rouges)

Le vase d'expansion :

  

 

    

Parmi ces trois thermomètres, lequel indique la température de l'eau de retour ?

  80°C44°C

67°C

 

C'est celui qui marque 44°C.

Les deux autres indiquent la température de l'eau au sortir de la chaudière :

-    67°C juste avant que la chaudière ne se mette en route;

-    80°C juste après un cycle de chauffe.

 

Un manomètre pour connaître la pression dans le circuit :

La pression dans le circuit est d'environ 1,3 bar (ci-dessus).

Ici on lit 1,5 bar.

 

 

La vieille jauge à fioul qui permettait de connaître la quantité de carburant restant dans la cuve :

 

Compte-rendu de visite à rédiger avec le vocabulaire suivant :

une conduite de gaz - des vannes - le brûleur - la chaudière - l'habillage en tôle - le tuyau de fumée - la cheminée - le tableau de bord - les thermomètres - les manomètres - les pompes de circulation (les circulateurs) - l'isolation des tuyaux - les ballons d'expansion - la dilatation de l'eau - le thermostat

 

 

 

Expérience en classe : on place au dessus d'un radiateur chaud une petite turbine en carton. Elle se met à tourner. Son sens de rotation nous indique que l'air chaud monte vers le plafond. Ailleurs dans la classe, la turbine reste immobile.

En effet, l'air chaud s'élève avant de refroidir et de redescendre vers le plancher de la classe. C'est ce qu'on appelle la convection.

 

La flamme de la chaudière a cédé sa chaleur à l'eau. L'eau chaude circule dans les radiateurs grâce auxquels elle peut à son tour céder sa chaleur à l'air de la classe.

La chaudière et le radiateur sont des échangeurs de chaleur. Les ailettes du radiateur favorisent ces échanges thermiques.

 

 

Comment obtient-on de l'eau chaude au robinet ?

 

Ce week-end, le chauffe-eau de notre classe a éclaté, provoquant une inondation importante de trois classes. Des plombiers sont venus le remplacer par un nouveau.

Nous avons pu observer les tuyaux de cuivre, les coudes, les soudures...

Le ballon d'eau chaude est un cylindre d'acier émaillé qui contient une cuve remplie d'eau. Entre la cuve et l'enveloppe extérieure, de la mousse synthétique assure l'isolation thermique.

 

 

Comment l'électricité peut-elle chauffer de l'eau ?

 

Expériences : 1/ On place un barreau de graphite entre les deux pinces "crocodile" de l'alimentation électrique. On règle la tension à 10 V (10 volts).

On remarque que l'intensité monte à environ 2 A (2 ampères).

Aussitôt, le graphite se met à fumer. Il devient rouge puis incandescent.

 

On renouvelle l'expérience avec cette fois un ressort spiral en acier; on remarque que le fil chauffe fortement et rougit.

 

C'est le passage du courant électrique dans le graphite (ou dans le fil) qui provoque cette élévation de température. On parle d'effet thermique du courant, ou "d'effet Joule" (du nom de son découvreur en 1841).

 

Expérience 2 : On met une résistance électrique sous tension, elle commence à chauffer. On la plonge dans un tube à essai rempli d'eau froide. On lit une intensité de 0,5 A pour une tension d'environ 12 V.

 

Après quelques minutes, on constate que l'eau a beaucoup chauffé : elle atteint 60°C dans la partie supérieure du tube. Elle entre en ébullition si l'on maintient le chauffage plus longtemps.

 

Ainsi, c'est une résistance chauffante qui est également à l'oeuvre dans le chauffe-eau électrique. Mais sa puissance est très supérieure afin de chauffer efficacement plusieurs dizaines de litres d'eau.

 

Rechercher la puissance de votre chauffe-eau électrique (lire la plaque signalétique ou la documentation).

Quels sont les autres appareils électriques chauffants de la maison ?

 

 

 

 

Puissances et capacités relevées par les élèves sur les chauffe-eau électriques de leur maison :

1500 W   50 L - 1200 W - 3000 W -  2000 à 2400 W - 1800 W 150 L - 2000 W - 2700 W  - 1800 W - 3300 W   300 L.

On peut dire que le thermoplongeur de 3000 W est 500 fois plus puissant que celui de notre expérience.

 

Connaissez-vous d'autres appareils électriques qui sont destinés à produire de la chaleur ?

Dans la cuisine : les fours classiques, les plaques de cuisson radiantes, le grille-pain, la bouilloire, la cafetière, la théière, le lave-vaisselle, le "thermomix", l'appareil à raclette, le gaufrier, la fontaine à chocolat, la friteuse, le cuiseur-vapeur, l'appareil à fondue, la pierrade, le grill électrique (barbecue), la crépière...

Tous ces appareils fonctionnent grâce à l'effet Joule.

Ils nous donnent une idée du niveau de consommation énergétique nécessaire à la préparation des repas.

 

- Rechercher à la maison et dans votre environnement proche les appareils électriques qui produisent du mouvement, de la lumière, ou un autre phénomène (à expliquer.) Noter, si possible, la puissance en watts, le voltage, les indications électriques...

 

- Quels sont les effets de l'électricité que vous connaissez ?

robot jouet, batteur, hover board, lave-linge, trottinette électrique, moto électrique (jouet), quad électrique, four, loupiotes du sapin, radiateur sèche serviettes, micro-ondes, congélateur, lave-vaisselle, ventilateur, téléphone fixe, téléphone portable, fer à repasser, climatiseur, sèche-linge

 
   Produisent du mouvement  Produisent de la chaleur  Produisent du froid  Produisent de la lumière  Action à distance par ondes radio  Produisent du son
 le robot jouet  X     X     X
  batteur, , , X           
 hover board,  X     X     X
 lave-linge,  X          
 trottinette électrique  X          
 moto électrique, quad électrique (jouets)  X          
four à micro-ondes  X  X   X      
 congélateur        X    
 lave-vaisselle  X  X        
   Produisent du mouvement  Produisent de la chaleur  Produisent du froid  Produisent de la lumière   Action à distance par ondes radio  Produisent du son
 four   X  X X       
 loupiotes du sapin       X      
 radiateur sèche serviettes     X        
 ventilateur   X          
 téléphone fixe, téléphone portable,         X   X X 
 fer à repasser            
 climatiseur réversible  X    X    X     
 sèche-linge   X   X        
radio          X X 

ordinateur, ipod, tablette
non  sauf disque dur et lecteur dvd/cd     X   X  X
 chaîne hi-fi X          X 

Remarque : tous les appareils électriques produisent par effet Joule de la chaleur lorsqu'ils fonctionnent, même ce n'est pas leur fonction.

 

 

 

Les effets de l'électricité

 

1/ Expériences avec une boussole

On place l'aiguille aimantée d'une boussole sur son pivot. Elle est libre de tourner.

Dès qu'on libère l'aiguille, elle pivote et s'oriente selon un axe Nord-Sud.

En approchant un aimant, on constate que l'aiguille dévie. Ceci montre qu'elle est sensible aux champs magnétiques.

Une force magnétique agit à distance, sans contact.

 

Plaçons à présent une portion de fil conducteur au dessus de l'aiguille, sans la toucher, et faisons passer un courant électrique. Dès que le courant passe, on voit l'aiguille dévier. Elle a tendance à se placer perpendiculairement au fil.

Renouvelons l'expérience. La déviation a toujours lieu dans le même sens.

Plaçons maintenant le fil au dessous de l'aiguille. On canstate alors que la rotation s'inverse.

 

Explication : le passage du courant dans le fil crée un champ magnétique qui "tourne" autour du fil.

 

Plions le fil de façon à ce qu'il passe au dessus de l'aiguille à l'aller, puis au dessous de l'aiguille au retour.

Cette fois la déviation de l'aiguille est plus forte et plus nette.

Les champs magnétiques se sont additionnés.

 

A présent, effectuons plusieurs boucles autour de l'aiguille avec du fil isolé.

L'effet magnétique est très amplifié.

 

Nous comprenons que le bobinage réalisé exerce un champ magnétique puissant quand il est parcouru par un courant.

 

Cet effet magnétique du courant électrique a été découvert par le Danois Hans Christian Oersted en 1820 !

C'est l'électromagnétisme.

 

Suite de l'expérience :

Inversons le sens du courant : l'aiguille dévie dans l'autre sens !

Ceci montre que le champ magnétique engendré dépend du sens du courant électrique. (Cela a permis de confirmer que le courant des piles possède un sens de circulation.)

Enroulons plusieurs tours de fil isolé autour d'un rondin de fer doux. Quand on alimente la bobine en courant électrique, le noyau de fer devient fortement aimanté. Il est capable d'attirer des objets en acier avec beaucoup de force (certains sont difficiles à décoller !). On constate même que notre électro-aimant est capable de soulever des objets très lourds.
Cet effet cesse dès que l'on coupe le courant.

Nous avons donc réalisé un aimant qui agit sur commande !

Ce sont les scientifiques français Arago et André Marie Ampère qui ont étudié l'action d'un bobinage autour d'un noyau de fer, après les découvertes d'Oersted.

C'est pourtant l'inventeur anglais William Sturgeon qui a réalisé le premier électro-aimant, en 1825.

 

Bobines d'électro aimants des coffrets Gégé et Kosmos :


L'électromagnétisme est une découverte essentielle dans le développement technologique du XIXe au XXIe siècle.

L'électro-aimant trouve des applications dans de très nombreux domaines :
le timbre, la sonnette, le télégraphe électrique, les instruments de mesure, le relais, l'électromécanique, le haut-parleur, le microphone dynamique, le téléphone, le moteur électrique, la dynamo, l'alternateur, le transformateur, la télégraphie sans fil (TSF), la radiophonie, le chauffage par induction, le magnétophone, l'enregistrement et la lecture des données analogiques puis numériques, la télévision, le tri des matériaux, la propulsion des trains…
Toute la télématique moderne est basée sur l'usage des bobines et des électro-aimants;

 

Une des premières applications de l'élecro-aimant : le télégraphe électrique.

 

La transmission des signaux à distance

Comme nous l'avons vu dans nos expériences, un signal simple peut être transmis à distance, instantanément.
Muni d'un code (par exemple le Morse), on peut traduire les signaux simples ( points ou traits) en lettres ou en chiffres. Grâce à ces signaux, on peut transmettre des mots, des nombres, mais aussi des images.

 

Si l'on parvient à accélérer le rythme d'envoi des "points" et des "traits", on augmente la quantité d'information transmise en un temps donné.
Très vite, le télégraphe va devenir un appareil automatique dans lequel l'homme n'aura plus à "traduire" les messages : ce travail sera réalisé par le télégraphe lui-même, muni d'un transcodeur. On passera du signal électrique à la lecture directe des mots ou des images (par exemple le Bélinographe).
Les perfectionnements successifs du télégraphe conduiront à l'essor des communication électriques et électroniques, et même à la télévision puis à la télématique moderne.

L'informatique, basée sur des signaux numériques dits "binaires" (0 ou 1) fonctionne sur des principes assez semblables.

Projet de travaux pratiques : construction d'un télégraphe

Premier schéma simplifié :

Pour des raisons pratiques et pour que chaque classe de CM2 confectionne son récepteur, nous utiliserons les pièces et le montage des coffrets Gégé "le Petit électricien":


 

Ci dessous : principe de montage

Schéma du récepteur du télégraphe:

 

 Extrait du manuel :

96. Le Petit Electricien apprend réellement à écrire

Si votre appareil doit pouvoir écrire, il faut le munir de papier et d'une pointe susceptible de tracer à chaque mouvement que l'on lui imprime. Chaque fois que le courant fait mouvoir un objet, c'est grâce à un électro-aimant. Adaptons donc la bobine avec son noyau sur le socle, au moyen de deux longs clous sans tête. Le fer d'armature est vissé, en même temps qu'un ressort d'armature, à une borne pour fiches dans laquelle passe la vis de liaison, qui sert à fixer le tout sur le socle. Si la petite vis ne parvenait pas à unir étroitement le fer et le ressort, parce qu'elle est trop longue, il suffirait de placer une petite rondelle de carton sous sa tête. De l'arrière on visse alors l'écrou, en veillant à ce que la borne ne soit pas immobilisée. Dans le trou de l'extrémité du ressort d'armature qui dépasse est montée une borne à fente, dans laquelle est adaptée une mine de crayon tendre. En face de celle-ci, on monte le noyau de fer droit, dans le grand trou ménagé à cet effet dans le socle. La mine de crayon doit avoir une longueur telle qu'elle appuie contre le noyau de fer quand l'armature est attirée. On peut également obtenir le même résultat en pliant légèrement le ressort. Pour éviter que le fer d'armature ne s'écarte de trop, un clou sans tête lui sert de butée supérieure. L'extrémité du ressort au-dessus de la bobine est légèrement cambrée vers le haut, afin qu'elle s'applique contre le clou butoir pour provoquer l'écartement de l'armature des pôles de l'aimant. Notre dispositif ne permet d'écrire que sur une bande étroite de papier ; du papier de serpentin se prête fort bien à cet emploi ; il peut se rouler sur la poulie montée au moyen d'un clou sans tête fiché dans le trou à l'angle du socle. La bande de papier est passée ensuite sous le noyau de fer droit, sur un clou, puis enroulée sur une borne pour fiches que l'on fait tourner lentement au moyen de la manivelle ; ainsi la bande de papier passe lentement en face de la pointe traçante. Lorsqu'on exerce une pression de courte durée sur le manipulateur, la mine de crayon trace un point sur le papier, et si la pression dure plus longtemps, le crayon trace un trait. Vous verrez que l'appareil écrit réellement, mais avec lenteur.

 

97. Réception auditive par la sonnette

Avec un peu d'exercice on peut également télégraphier au moyen de la sonnette électrique. En abaissant plus ou moins longuement le manipulateur on produitdes sonneries de durée plus ou longues qui correspondent à des traits et des points. Cette réception au son est la seule utilisée dans la marine. Exercez-vous donc à lire au son comme le télégraphiste d'un paquebot.