Sciences et technologie 2017

 

 

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 François 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 puis 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 proches.

 

Résumé à écrire dans le cahier de sciences :

 

Les autres effets du courant électrique

 

Les expériences avec une aiguille aimantée nous ont montré qu'un fil parcouru par un courant électrique exerçait une force magnétique. C'est l'électromagnétisme, découvert en 1820 par le physicien danois Oersted.

 

En enroulant le fil isolé plusieurs fois sur lui-même, on réalise une bobine dans laquelle l'effet magnétique est multiplié par le nombre de spires.

Si l'on place un noyau de fer dans la bobine, on obtient un électro-aimant.

 

 

 

2/ Projet de travaux pratiques :

Construction d'un appareil de communication :

le télégraphe électrique.

La pièce maîtresse du télégraphe est l'électro-aimant.

Celui-ci attire une lame de fer reliée à un levier qui porte une mine de crayon. La mine de crayon laisse une trace sur un ruban de papier que l'on déroule lentement.

Ainsi, à chaque impulsion électrique, le télégraphe marque sur le papier un trait plus ou moins long.

Si l'impulsion est courte, ce sera un simple point. Si elle est longue, ce sera un trait. Avec un code adapté, on pourra envoyer des messages.

 

 

Vendredi :

Rechercher une définition ou des explications concernant les mots suivants :

un signal - un message - une information - un émetteur - un récepteur - un code - la télégraphie - la téléphonie - la TSF - des parasites

Rechercher des informations sur Samuel Morse.

 

 

 

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

Le circuit comportera une pile de 4,5 V, un commutateur, un bobine, un fer en U pour la réalisation de l'électro-aimant.

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 produit des sonneries de durée plus ou moins 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.

 

Les deux télégraphes en cours de montage :

 

 

 

 

Rechercher la définition ou des explications sur les mots suivants : un signal - un message - une information - un émetteur - un récepteur - un code - la télégraphie - la téléphonie - la TSF - des parasites.

Rechercher des informations sur Samuel Morse.

Un signal : signe qui donne une information; geste ou bruit destiné à avertir une personne; message codé pour pouvoir communiquer à distance; permet d'avertir lorsqu'on reçoit une information, panneau qui donne un avertissement.

 

Un message : information transmise; ensemble de signes qui nous permettent de comprendre une iformation ; information que l'on transmet; permet de communiquer avec des personnes, à distance ; écrit que l'on envoie à quelqu'un pour communiquer à distance...

 

une information : renseignement ; message qui prévient ; nouvelle que l'on transmet à une ou des personnes ;

 

Emetteur : appareil capable d'envoyer des informations, des messages.

Récepteur : appareil qui reçoit ces messages.

 

Moyen de communication : oral (la voix), écrit (texte, langage, pictogramme), sonore (sirène, avertisseur, alarme...), optique (lumineux), électrique (morse, timbre, sonnerie : électrique puis sonore), électronique (téléphonie, vidéo...)

 

Un code : langage convenu entre un émetteur et un récepteur dans lequel un message est "écrit". Ce langage peut être parfois secret.

La TSF : initiales de transmission sans fil. Technique de communication par ondes radio qui assurait la transmission d'un signal binaire fait de traits ou de points.

Des parasites : "bruits" qui perturbent la réception d'une transmission radio ou de télévision. Signaux indésirables qui viennent gêner une communication. (Brouillage). Le filtrage permet d'éliminer les parasites.

 

 

Formes et sources d'énergie

 

Recherche à effectuer dans des encyclopédies ou sur Internet.

Quelles sont les formes d'énergie que vous connaissez ?

Quelles sont, selon vous, les sources de ces énergies ? (Quelle est leur origine ?)

 

Quelques réponses après cette recherche:

Formes d'énergie:

énergie mécanique (mouvement), énergie thermique (chaleur), énergie radiante (lumière, chaleur rayonnée, ondes radio, rayons X...), énergie chimique (réactions chimiques), énergie électrique.

Sources d'énergie :

solaire, hydraulique (force de l'eau), éolienne (force du vent), fossile (gaz, charbon, pétrole), nucléaire (uranium), musculaire (force animale et humaine), géothermique (chaleur du sol), combustion du bois et des végétaux (énergie chimique des produits végétaux).

 

L'énergie et ses transformations

Quand un objet se déplace ou se déforme, quand de la chaleur ou de la lumière se dégagent, quand un produit se transforme, quand de l'électricité se déplace dans un conducteur, de l'énergie est en jeu :
- énergie mécanique (mouvement et déformations)
- énergie thermique (chaleur)
- énergie lumineuse (lumière)
- énergie chimique (réactions chimiques)
- énergie électrique (déplacement d'électrons)

Il existe sur Terre un certain nombre de sources d'énergie que la technologie humaine a permis d'exploiter au cours des siècles:
- la force musculaire humaine ou animale, le vent, la force de l'eau, la gravité : sources d'énergie mécanique;
- le soleil, le bois, le charbon, le pétrole, le gaz, les autres combustibles : sources d'énergie thermique;
- les aliments d'origine végétale ou animale : sources d'énergie chimique.

 

L'électricité tient une place à part car il n'en existe pas de source naturelle exploitable. Ce sont les inventions du 19e siècle qui ont permis sa production et son utilisation à l'échelle industrielle : la pile chimique, l'électro-aimant, l'accumulateur, la dynamo, le moteur électrique, l'alternateur, les lampes etc.

 

L'énergie sous ses diverses formes peut être transportée, transformée, stockée.

 

Exemples de transformations d'énergie dans un moteur de bateau :

 

Expériences avec des moteurs à aimants permanents.

 

Quand on applique un courant électrique aux bornes d'un moteur, celui-ci se met à tourner.

Il transforme l'énergie électrique de la pile en énergie mécanique (mouvement, force).

Que se passe-t-il si l'on force un moteur à tourner, sans utiliser de pile ?

Pour le savoir, remplaçons la pile par un autre moteur identique (moteur à aimants, relié bornes à bornes au premier).

 

Dès que l'on force le premier moteur à tourner, le second tourne également. Cela montre qu'une énergie mécanique peut se transformer en énergie électrique.

Le premier moteur joue le rôle d'un générateur, le second d'un consommateur.

 

Voir la vidéo (9,44 Mo)

 

Mais pour 10 tours du générateur, le consommateur en effectue 8 au mieux. On ne récupère donc pas toute l'énergie : une partie en est perdue. Le rendement énergétique maximal du système est de 8/10 soit 80%.

 

Voir la vidéo (3,45 Mo)

On remarque qu'il faut fournir un effort plus important pour entraîner le générateur quand celui-ci est en charge, que lorsqu'il est à vide.

Cela montre que l'énergie électrique n'est pas produite à partir de rien. C'est notre effort sur le générateur qui la crée.

C'est le principe de la dynamo, mise au point par Siemens en 1866.

 

Pour affiner notre compréhension, nous réalisons un nouveau montage : les fils du générateur sont reliés aux deux rails d'un train miniature. Ces rails commencent à l'horizontale puis amorcent une côte. La locomotive tire un wagon plat dans lequel on place trois masses de 100 g.

 

 

 

- A vide et sur le plat, la locomotive avance rapidement sans effort particulier au niveau du générateur.

- En côte, on sent une résistance, il faut "mouliner" davantage pour faire grimper la locomotive.

- Avec une charge de 300 g, le train se met en mouvement plus difficilement. Il accélère au prix d'un effort plus intense sur la manivelle du générateur.

- En côte, le train chargé ralentit et finit par s'immobiliser malgré toute l'énergie que l'on donne au générateur en moulinant à toute vitesse.

- En descente, il n'est pas nécessaire de fournir un effort : c'est le moteur du train qui produit de l'énergie et qui fait tourner notre générateur en sens inverse !

On comprend que le système dynamo-moteur est réversible.

Voir la vidéo

 

Un exemple de transformations d'énergie: le moteur à vapeur

 

Présentation:

Nous observons ce matin un modèle réduit de machine à vapeur. Il est composé d'une chaudière et d'un moteur, fixés sur un support en tôle.

L'ensemble est réaliste et fonctionnel, toutes les pièces sont en métal : laiton, bronze, acier, chrome...

Sur la chaudière, nous remarquons une cheminée, un manomètre, une vanne, une soupape et un sifflet.

Sous la cuve, on peut placer le brûleur, récipient permettant au combustible de produire une flamme.

Le moteur comporte un cylindre fixe et un piston mobile dont les mouvements entraînent une bielle et une manivelle. Celle-ci met en rotation l'arbre moteur et son volant d'inertie.

Mise en route

Nous versons dans le brûleur de l'alcool et nous l'allumons. Les flammes chauffent l'eau de la chaudière, jusqu'à l'ébullition. Nous remarquons que de la vapeur s'échappe du sifflet.

 

Dès que l'on ouvre la vanne d'admission de la vapeur, le moteur tourne d'une fraction de tour.

Au bout d'une minute environ, il se met à tourner de façon régulière en accélérant.

On peut ralentir sa vitesse de marche en réduisant la quantité de vapeur.

 

La propulsion par hélice

 

Dans l'aquarium de la classe, nous observons le fonctionnement d'un modèle réduit de bateau à moteur.

Celui-ci comporte une coque en plastique, un moteur équipé d'un réducteur, un joint souple et un arbre d'hélice en acier inoxydable terminé par une hélice en aluminium.

L'hélice possède 3 pales torsadées qui, en tournant, brassent l'eau et la propulsent vers l'arrière, ce qui fait avancer le bateau par réaction.

Si l'hélice tourne dans l'autre sens, l'eau est propulsée vers l'avant, et le bateau recule.

 

Sur les vitres de l'aquarium, nous observons les remous provoqués par l'hélice en rotation : il apparaît nettement un jet d'eau qui crée un courant dans la masse liquide.

Le gouvernail placé derrière l'hélice permet d'orienter le jet à droite, à gauche ou tout droit pour diriger le bateau.