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Centre de développement pédagogique Le moteur à interrupteur magnétique (MIM) moteur_maitre.doc 1 15/02/08 LE MOTEUR À INTERRUPTEUR MAGNÉTIQUE (MIM) GUIDE DU MAÎTRE Décembre 2007

LE MOTEUR À INTERRUPTEUR MAGNÉTIQUE (MIM) · la fabrication d’un anémomètre. Des composants électroniques peuvent ... Le moteur à interrupteur magnétique (MIM) + _ + _

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LE MOTEUR À INTERRUPTEUR MAGNÉTIQUE (MIM)

GUIDE DU MAÎTRE

Décembre 2007

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NOTES IMPORTANTES 1. En préalable à la lecture du présent guide, nous vous invitons à lire le

canevas de cette tâche. Le canevas permettra de mieux situer cette activité à l’intérieur du programme.

2. La partie droite du présent document est un aperçu du cahier de l’élève. 3. Cette activité devrait faire partie intégrante d’une SAE. Le choix du

contexte et les ressources à y ajouter seront dictés par les intentions pédagogiques de l’enseignant.

4. Le Moteur à Interrupteur Magnétique (MIM) est facile à fabriquer, simple à expliquer et surtout il est d’une fiabilité surprenante. L’activité que l’on vous propose ici est très riche et surtout très versatile. À la fin de celle-ci l’élève sera amené à faire plusieurs calculs (résistance, puissance, énergie électrique, …). La bonne puissance de ce moteur nous permet de l’utiliser de façon très concrète. En effet, il est possible d’utiliser le MIM comme moteur d’ascenseur, moteur de véhicule terrestre ou même moteur de véhicule nautique (comme un hydroglisseur par exemple). De plus, en dépouillant le MIM de son interrupteur magnétique, il est possible de l’utiliser comme générateur de courant alternatif (alternateur). Il est donc possible de l’utiliser comme composant d’une éolienne, d’un groupe turbine alternateur ou même dans la fabrication d’un anémomètre. Des composants électroniques peuvent même être utilisés pour perfectionner le MIM et redresser le courant lorsqu’on l’utilise comme alternateur. Une éolienne équipée de la sorte peut même produire un courant continu d’environ 2,5 volts. Il serait donc possible qu’une éolienne construite par les élèves puisse alimenter de petits appareils comme : un lecteur MP3, une montre, une calculatrice,…

5. Huit périodes sont prévues pour cette activité : o Période 1 : Cartes d’exploration o Période 2 : Questionnaire sur le fonctionnement du MIM o Période 3 à 5 : Fabrication du MIM o Période 6 : Fabrication du support de l’interrupteur o Période 7 : Mise à l’essai du MIM o Période 8 : Rédaction du rapport

6. Cette activité pourrait se vivre en équipe de 2 élèves. 7. Vous trouverez en annexe 1 une liste des coordonnées utiles. Nous vous

les rendons disponibles tout en sachant qu’il est possible de trouver la même chose ailleurs.

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NOTIONS THÉORIQUES Les concepts abordés ici peuvent être touchés de bien des façons. Il appartient à chaque enseignant de les aborder à sa manière. De plus, le matériel disponible dans chaque établissement peut aussi être fort différent. Quoi qu’il en soit, nous vous proposons quand même une façon de faire, à vous de choisir.

En quatrième secondaire, une certaine latitude doit être laissée à

l’élève. C’est pourquoi, l’élève n’est pas beaucoup guidé par l’activité elle-même. Ces cartes d’exploration n‘ont pas à être entièrement complétées lors de la première période de cours. Il s’agit en quelque sorte d’un premier contact avec les concepts touchés. C’est en vivant le reste de l’activité que les élèves pourront, graduellement, les compléter.

Lors de ce premier cours, l’aide de l’enseignant est primordiale. Il devrait circuler d’une équipe à l’autre pour partager ses connaissances et son savoir faire. Différents ouvrages de références devraient aussi être disponibles (anciens livres de sciences physiques ou d’I.A.T. par exemple). Il est même possible de fournir une fiche qui résume les notions théoriques ciblées (des photocopies par exemple). L’élève n ‘aurait alors qu’à sélectionner les informations utiles.

CARTE D’EXPLORATION «CIRCUIT»

La notion de conductibilité électrique est importante pour la compréhension du moteur électrique. En effet, nous n’avons qu’à penser à l’interrupteur magnétique en verre ou au fil de cuivre vernis pour nous en convaincre. De plus, cette activité est une bonne occasion de voir la schématisation des circuits et son symbolisme. Finalement, il est bon de noter qu’avec sa diode de protection, le circuit du MIM est un circuit mixte.

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CARTE D’EXPLORATION «MAGNÉTISME»

Le MIM est composé de substances non magnétiques, magnétiques et ferromagnétiques. Il est parfait pour aborder ces propriétés, d’autant plus, qu’elles sont essentielles à la compréhension du fonctionnement du moteur. Savoir ce qu’est un aimant permanent avec ses pôles et son champ est essentiel. Les forces qui s’exercent entre deux aimants doivent aussi être connues. L’utilisation même de la boussole est indispensable. En effet, l’élève devra déterminer les pôles des aimants du rotor. Ceux-ci devront être convenablement orientés, sans quoi, le moteur ne sera pas fonctionnel.

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CARTE D’EXPLORATION «ÉLECTROMAGNÉTISME»

Le solénoïde détient une place de choix dans la structure du MIM. Il est important de le comprendre parfaitement. Les facteurs qui influencent la force de son champ magnétique doivent être connus (noyau ferromagnétique, nombre de spires, intensité du courant). C’est en étudiant son champ ainsi que ses pôles magnétiques que l’élève pourra faire des parallèles avec les aimants permanents. La règle de la main droite peut être abordée avec les élèves. Comme cette notion peut être difficile à comprendre, elle peut faire l’objet d’une présentation magistrale lors du troisième cours. Il existe une petite présentation PowerPoint sur le sujet, elle est disponible auprès du CDP.

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CARTE D’EXPLORATION «MESURE» Lors de la rédaction du rapport final, l’élève aura à mettre à l’essai son MIM. Il devra entre autres calculer la résistance électrique du moteur, à l’aide de la loi d’Ohm, lorsqu’il est en marche. Pour ce faire, l’élève devra être capable de mesurer la tension à ses bornes ainsi que l’intensité du courant qui circule en lui. REMARQUES IMPORTANTES Il est à remarquer que la résistance prise à l’aide d’un ohmmètre ne donnerait pas une mesure identique, celle-ci serait sous-estimée. Comme l’ohmmètre s’utilise lorsque l’appareil n’est pas sous tension, cette mesure n’est pas représentative de la réalité. En effet, le courant mesuré lors du fonctionnement du moteur est un courant moyen qui tient compte du fait que le solénoïde n’est pas toujours sous tension. Le solénoïde reçoit 4 impulsions électriques à chaque tour. Il est donc en fonction environ 40% du temps d’opération. Ce courant efficace est donc plus petit que le courant que l’on mesurerait sur un solénoïde branché en permanence. Comme la résistance électrique est obtenue par l’équation R=U/I et que la tension est constante, une petite intensité implique une grande résistance. C’est pourquoi la résistance calculée à l’aide de l’intensité et de la tension est plus grande que celle mesurée avec un ohmmètre. La résistance calculée ici à l’aide de l’intensité et de la tension est en quelque sorte une impédance. La notion d’impédance est habituellement utilisée dans le domaine du courant alternatif. À notre avis, cette notion est trop complexe pour être abordée dans un cours au secondaire.

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CARTE D’EXPLORATION «PUISSANCE ET ÉNERGIE ÉLECTRIQUE» Lors de la rédaction du rapport final, l’élève aura à mettre à l’essai son MIM. Il devra entre autres calculer la puissance électrique du moteur ainsi que l’énergie électrique qu’il consomme lorsqu’il effectue un travail. Pour ce faire, l’élève devra être capable de mesurer la tension à ses bornes ainsi que l’intensité du courant circulant dans celui-ci. Un chronomètre devra aussi être utilisé pour mesurer le temps d’utilisation nécessaire pour effectuer un travail. Il serait important de prendre connaissance des «Remarques importantes» de la page précédente en ce qui a trait à la mesure de l’intensité du courant.

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CARTE D’EXPLORATION «ÉNERGIE POTENTIELLE GRAVITATIONNELLE» Lors de la rédaction du rapport final, l’élève aura à mettre à l’essai son MIM. Il devra entre autres calculer le rendement énergétique de son MIM. Le rendement énergétique est un concept présent tant dans le cours de ST que dans celui d’ATS. Aborder le concept «d’énergie potentielle gravitationnelle» rend le concept de rendement très concret. C’est pourquoi nous recommandons d’aborder l’énergie potentielle gravitationnelle avec tous vos groupes. Il faut toutefois souligner que le concept «d’énergie potentielle gravitationnelle» ne fait pas partie du cours régulier de ST ou d’ATS. Cependant, il est présent dans les cours optionnels des deux parcours. PLÉNIÈRE Ici, une présentation magistrale est suggérée pour expliquer les notions plus abstraites comme la règle de la main droite par exemple. Il existe une petite présentation PowerPoint sur le sujet, elle est disponible auprès du CDP.

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NOTES IMPORTANTES Avant de passer à ce questionnaire, il serait bon de présenter aux élèves les notions suivantes :

• Il faudrait démontrer aux élèves le fonctionnement de l’interrupteur magnétique (Reed switch). C’est en approchant un aimant de l’interrupteur que l’on peut le fermer et le rendre conducteur d’électricité.

• Il faudrait aussi présenter le schéma du circuit. Il s’agit d’un circuit mixte. En effet, l’interrupteur est en série avec le solénoïde et la diode électroluminescente (DEL) ou (LED en anglais) est en parallèle avec le solénoïde.

• Une présentation PowerPoint est disponible pour expliquer le fonctionnement du MIM.

CORRIGÉ DU QUESTIONNAIRE Question 1 : Le circuit est fermé. Question 2 : Oui, le sens du courant correspond à la polarité du champ

magnétique. Question 3 : En répulsion, les pôles sud sont face à face. Question 4 : Oui, si l’interrupteur est déplacé vers le haut, la répulsion se

produira plus tôt, ce qui produira une inversion du sens de rotation. Il est à noter qu’une inversion de la polarité de la source de courant ne provoque pas une inversion du sens de rotation comme dans le cas des moteurs fonctionnant en courant continu. Une inversion fait passer le moteur du mode répulsion au mode attraction et vice-versa.

Question 5 : Le circuit est ouvert. Question 6 : Non, l’électroaimant ne fonctionne pas. Question 7 : Il y a une force d’attraction entre le noyau de l’électroaimant et

l’aimant permanent du rotor. Cette attraction est présente même si le solénoïde n’est pas en fonction. Cette attraction résiduelle aide quand même le moteur à tourner. Il est à noter, que si le moteur fonctionnait en attraction, cette attraction résiduelle ralentirait le moteur.

Question 8 : Il continue à tourner à cause de son inertie et à cause de l’attraction résiduelle abordée à la question précédente.

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CORRIGÉ DU QUESTIONNAIRE (suite) Question 9 : Oui, ils devront tous être orientés de la même façon, c’est-à-dire

le même pôle vers l’extérieur (sur le dessin, nous avons choisi d’orienter les aimants d’une façon arbitraire).

Question 10 : Ces lamelles sont constituées d’une substance ferromagnétique. Elles deviennent donc momentanément des aimants lorsqu’elles sont plongées dans le champ magnétique de l’aimant qui passe. Les lamelles s’attirent donc mutuellement comme les pôles opposés d’aimants permanents.

Question 11 : Pour que l’interrupteur se ferme lorsque l’aimant dépasse légèrement le solénoïde.

Question 12 : Oui, en inversant la polarité de la pile, nous changeons le mode de fonctionnement du MIM (en répulsion ou en attraction). La performance du MIM est nettement supérieure lorsque celui-ci fonctionne en répulsion au moment où le solénoïde est en fonction.

Question 13 : La plus petite possible pour maximiser la force de répulsion. Question 14 : Quatre fois par tour car il y a quatre aimants. Question 15 : Oui, plus il y a de tours, plus le champ magnétique produit est

important. Question 16 : Oui, la distance devrait être la plus petite possible. Si l’aimant

est trop loin, le champ magnétique sera trop faible pour que les lamelles ne s’attirent.

L’UTILITÉ DE LA DIODE ÉLECTROLUMINESCENTE (DEL) La diode est un composant électronique qui laisse passer le courant dans un seul sens. Ici, elle élimine les flammèches qui se produisent à l’intérieur de l’interrupteur magnétique. Sans elle, la durée de vie de l’interrupteur sera grandement raccourcie à cause de l’échauffement des lamelles. Lorsque l’interrupteur s’ouvre, les électrons poursuivent leur chemin dans le gaz (ou l’air) contenu dans l’ampoule de verre. C’est l’inertie électrique créée par le solénoïde qui les projette ainsi. Ajouter une diode aménage une voie d’évitement où le courant électrique pourra ralentir et s’arrêter sans causer d’échauffement destructif. C’est comme si on aiguillait un train à grande vitesse sur une voie d’évitement pour lui permettre de ralentir sans causer de dégât. Il est à noter que la diode se doit d’être polarisée à l’inverse par rapport à la pile. Lorsque le solénoïde est sous tension, aucun courant ne doit passer dans la diode. La DEL que nous utilisons pourrait être remplacée par une diode rectificatrice ordinaire. Ceci diminuerait le coût mais l’ajout d’une composante qui émet de la lumière peut être amusant pour l’élève. À ce propos, il est intéressant à noter que l’énergie qui sert à illuminer la DEL aurait été perdue lors de l’apparition de la flammèche. Pour plus d’informations sur la diode voir la section « MISE EN MARCHE DU MOTEUR».

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FABRICATION DU MIM (sans son interrupteur magnétique) Avant de passer à la conception du support de l’interrupteur, il faut fabriquer la base, le solénoïde ainsi que le rotor du moteur. Pour ce faire, vous avez à votre disposition les documents suivants : 1. Dessin isométrique du moteur (avec nomenclature) 2. Dessin isométrique de l’électroaimant 3. Dessin d’ensemble du MIM 4. Dessins de détail du côté, base et rotor. 5. Dessin de sous-ensemble de l’électroaimant 6. Gamme de fabrication de la base 7. Gamme de fabrication du support à moteur 8. Gamme de fabrication de l’électroaimant 9. Gamme de fabrication du support du moteur N.B. Il ne faudrait pas augmenter significativement le nombre de spires de fil composant le solénoïde (Le diamètre du solénoïde proposé dans la gamme est de 20 mm). En effet, une trop grande intensité de courant passerait alors dans la DEL et pourrait l’endommager ou même la rendre inopérante. Le rôle de protection de la DEL serait alors absent et l’interrupteur magnétique en souffrirait. ATTENTION AUX YEUX

Comme la partie externe de l’interrupteur magnétique est faite de verre, il est assez fragile. Il faut faire attention pour ne pas que les aimants entrent en collision avec lui lors des tests. De plus, en aucun cas on devrait tenter de plier ses

électrodes. Ne pas tenir compte de ces remarques pourrait provoquer de graves blessures aux yeux par le verre projeté.

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CONSEIL LORS DE LA MISE EN MARCHE DU MIM • En branchant le moteur pour la première fois, on constate qu’il est

beaucoup plus performant lorsqu’il est polarisé d’une certaine façon. En essayant les deux polarités possibles le choix sera évident. Si votre moteur tourne plus vite, c’est qu’il est en mode répulsion (lorsque le solénoïde est en fonction) et c’est parfait.

• Le MIM tourne, c’est super, mais voyez les flammèches qui se produisent à l’intérieur de

l’interrupteur magnétique. Celles-ci réduiront grandement la durée de vie de l’interrupteur à cause de l’échauffement des lamelles. Un des moyens de les éliminer est d’ajouter une DEL au circuit (voir la section «L’UTILITÉ DE LA DIODE»). La DEL se doit d’être branchée en parallèle

avec l’électroaimant et polarisée à l’inverse par rapport à la pile (voir les schémas de la section «Questionnaire sur le fonctionnement du MIM»). Il faut éviter de la brancher dans le sens où elle s’échauffe. Dans ce cas, elle s’illumine tout de même mais cessera de fonctionner en quelques minutes et entraînera l’échauffement destructif de l’interrupteur.

+ _ DEL (Symbole)

DEL (Photo)

+ _

Anode Cathode

Le côté plat est la cathode.

L’électrode courte est la cathode.

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CONCEPTION DU SUPPORT D’INTERRUPTEUR MAGNÉTIQUE • Avant de débuter la conception, il faut consulter le cahier des

charges de la compagnie «Camions écolos» qui se trouve dans le cahier de l’élève.

• Lors de la conception du support, il faut garder en tête que l’interrupteur doit être le plus proche possible des aimants en rotation.

• Par un déplacement de l’interrupteur, il est possible d’inverser le sens de rotation du moteur. Pour plus d’informations quant au positionnement idéal de l’interrupteur, consulter le «Questionnaire sur le fonctionnement du MIM» du présent document.

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ÉBAUCHE DE SOLUTION

• Ici l’élève fait en quelque sorte une ébauche de sa solution.

• Vous trouverez en annexe 2 des photos de solutions de conceptions possibles.

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NOTES IMPORTANTES Nous avons ajouté ici une vue de face et de côté pour aider l’élève à adapter son support d’interrupteur au reste du MIM. Dans le cahier de l’élève, ces dessins sont à l’échelle 1:1 ce qui devrait leur simplifier la tâche.

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NOTES IMPORTANTES SUR LA MISE À L’ESSAI DU MIM Il est maintenant temps de mettre à l’essai le MIM. On doit ici, calculer la résistance électrique du moteur à l’aide de la loi d’Ohm, lorsqu’il est en marche. Pour ce faire, l’élève doit mesurer la tension aux bornes du moteur ainsi que l’intensité du courant circulant dans celui-ci (voir la carte d’exploration «Mesure»). Il est à remarquer que la résistance prise à l’aide d’un ohmmètre ne donnerait pas une mesure identique, celle-ci serait sous-estimée. Comme l’ohmmètre s’utilise lorsque l’appareil n’est pas sous tension, cette mesure n’est pas représentative de la réalité. En effet, le courant mesuré lors du fonctionnement du moteur est un courant moyen qui tient compte du fait que le solénoïde n’est pas toujours sous tension. Ce courant efficace est donc plus petit que le courant que l’on mesurerait sur un solénoïde branché en permanence. La résistance obtenue par l’équation R=U/I serait en quelque sorte une impédance. La notion d’impédance est habituellement utilisée dans le domaine du courant alternatif. À notre avis, cette notion est trop complexe pour être abordée dans un cours au secondaire L’élève doit aussi calculer la puissance électrique du moteur à l’aide des valeurs d’intensité et de tension mesurées précédemment. Il est à noter qu’il s’agit ici de la puissance électrique consommée par le moteur et non pas sa puissance mécanique qui elle est forcément plus faible à cause des pertes d’énergie. Nous avons choisi une tension de 9 volts pour pouvoir utiliser une petite batterie lors d’une éventuelle application concrète. En effet, une batterie 9 volts peut facilement se loger dans un hydroglisseur ou un petit véhicule terrestre.

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EFFORT MÉCANIQUE PROPOSÉ Il existe bien des façons de faire travailler notre moteur. Nous vous proposons ici une façon simple de provoquer un effort mécanique qui permettra de faire des calculs simples et à notre avis très intéressants. Il s’agit simplement de soulever un poids d’une masse connue en l’accrochant au bout d’une ficelle et en enroulant celle-ci sur l’arbre du rotor. Vous trouverez des photos du montage proposé en annexe 3. La masse du poids choisi est aussi importante. Si la masse est trop grande, le MIM s’arrêtera. Si la masse est trop petite, le poids montera trop rapidement et rendra difficile la mesure du temps. La grosseur du fil choisi devra être la plus petite possible. Ceci rendra l’effort du moteur plus constant lors de l’élévation du poids. Un fil à pêche peut sans doute faire l’affaire. Un ressort peut être attaché entre le bout de la ficelle et le poids. Ceci donnera le temps au moteur d’atteindre sa vitesse de croisière avant que la masse ne quitte le sol. Il est à noter qu’on démarre le chronomètre lorsque le poids quitte le sol et on l’arrête lorsque le poids atteint un repère préalablement fixé.

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CALCUL DE L’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE On doit maintenant calculer l’énergie électrique consommée par notre MIM lorsque celui-ci effectue l’effort mécanique choisi à la page précédente. Un chronomètre devra aussi être utilisé pour mesurer le temps d’utilisation nécessaire pour effectuer le travail. L’énergie électrique s’est transformée sous bien des formes :

• Énergie mécanique (heureusement) • Énergie thermique (effet joule dans l’électroaimant) • Énergie thermique due à la fiction des pièces • Énergie sonore (bruit de fonctionnement) • Énergie magnétique (champ généré par l’électroaimant) • Etc.

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CALCUL DE L’ÉNERGIE POTENTIELLE GRAVITATIONNELLE Même si le concept de l’énergie potentielle gravitationnelle est habituellement vu dans le cours optionnel, nous recommandons de le présenter à tous vos groupes. Le peu de temps à investir ici sera largement compensé par la satisfaction d’obtenir un rendement en pourcentage. En effet, sans aborder ce concept, vous serez condamnés à parler du rendement d’une manière strictement qualitative. Pour calculer l’énergie potentielle gravitationnelle, il faut utiliser l’équation suivante : Ep=mgh où m est la masse du poids

g est l’accélération gravitationnelle terrestre h est le déplacement du poids lors du travail

Finalement, le rendement énergétique du MIM doit être calculé. Pour le calculer, il faut utiliser l’équation suivante : Rendement = Ep / Eé x 100 Où Ep est l’énergie potentielle gravitationnelle gagnée par le poids

Eé est l’énergie électrique consommée par le MIM

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EXTENSIONS POSSIBLES DE L’ACTIVITÉ Vous avez maintenant la possibilité de poursuivre cette activité de façon plus ludique et tout aussi passionnante. Une course de véhicules, une compétition de soulèvement de charges ou la fabrication d’éolienne la plus performante sont toutes des avenues qui amèneront les élèves à consolider leur acquis et à toucher de nouveaux concepts. Exemple 1: La fabrication d’un hydroglisseur

permet de toucher les concepts suivants :

• Principe d’Archimède (flottabilité de l’hydroglisseur)

• Principe de Bernoulli (écoulement de l’air sur l’hélice ou sur les ailerons , déplacement de l’eau sur le gouvernail)

• Les forces • Relation entre vitesse constante, distance et temps • Etc.

Exemple 2: La fabrication d’une éolienne

permet de toucher les concepts suivants :

• Principe de Bernoulli (écoulement de l’air sur l’hélice)

• Programme ATS, autres fonctions (condensateur, diode, transformateur,…)

• Atmosphère (masse d’air, circulation atmosphérique, ressources énergétiques)

• Espace (flux d’énergie émis par le soleil) • Etc.

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ANNEXE 1 (Coordonnées utiles)

Site web de Stan Pozmantir http://www.simplemotor.com/ N.B. Le matériel suivant est disponible ailleurs, ces coordonnées sont suggérées à titre indicatif.

Fil de cuivre émaillé (vernis) Prolabec 2213 rue le Chatelier Laval (Québec) H7L 5B3 CANADA Téléphone: (450) 682-5118 ou (800) 556-5226 Télécopieur: (450) 682-6468 ou (800) 556-8182 http://www.prolabscientific.com/Electricity-p-1-c-688.html

Fil de cuivre émaillé (vernis) Les distributions Cyme 561 Lindbergh Laval (Québec) H7P 2N8 CANADA Téléphone: (450) 625-2428 ou (800) 563-1030 Télécopieur: (450) 625-2429

Aimants puissants Lee Valley Tools Ltd. P.O. Box 6295, Station J Ottawa, ON K2A 1T4 Tel : (613) 596-9202 Fax: (613) 596-9502 http://www.leevalley.com/hardware/page.aspx?c=1&p=42348&cat=3,42363

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ANNEXE 2 (Solutions de conceptions possibles)

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ANNEXE 3 (Montage proposé)