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1/6 Cette fiche est l’occasion de présenter aux élèves le principe de fonctionne- ment des moteurs électriques. En première partie, les bases du principe des moteurs électriques synchrones sont exposées (même principe que les moteurs utilisés sur Solar Impulse). Ensuite, la fiche propose de construire un modèle simple de moteur à courant continu. Ces dispositifs sont d’autant plus intéressants qu’ils sont réversibles. En effet, l’alimentation électrique d’un moteur le met en mouvement, mais la mise en mouvement du moteur permet de générer du courant électrique. C’est donc le sujet idéal pour illustrer la transformation d’énergie électrique en énergie mécanique et réciproquement. L’étude de la production d’électricité permet d’introduire quelques notions d’histoire des sciences et de la technique. Cela permet de comprendre la diversité des réseaux électriques actuels (parenthèse historique). Dans cette fiche se trouve une notice pour construire un alternateur. C’est une jolie activité manuelle qui nécessite du temps. Elle peut très bien faire l’objet d’un projet interdisciplinaire avec les AC&M ou l’objet d’un travail développé par un groupe dans le cadre des OCOM. On pourrait évaluer la qualité du montage produit, les améliorations apportées au modèle et la compréhension de ce dispositif. Projet : EPFL | dgeo | Solar Impulse Rédaction : Marie-Noëlle Kaempf Graphisme : Anne-Sylvie Borter, Repro - Centre d’impression EPFL Suivi de projet : Yolande Berga MAGNÉTISME + ÉLECTRICITÉ MOTEUR !

SOLAR IMPULSE - LAB WORK - MOTORS (FR)

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Cette fiche est l’occasion de présenter aux élèves le principe de fonctionne-ment des moteurs électriques.En première partie, les bases du principe des moteurs électriques synchrones sont exposées (même principe que les moteurs utilisés sur Solar Impulse). Ensuite, la fiche propose de construire un modèle simple de moteur à courant continu. Ces dispositifs sont d’autant plus intéressants qu’ils sont réversibles. En effet, l’alimentation électrique d’un moteur le met en mouvement, mais la mise en mouvement du moteur permet de générer du courant électrique. C’est donc le sujet idéal pour illustrer la transformation d’énergie électrique en énergie mécanique et réciproquement. L’étude de la production d’électricité permet d’introduire quelques notions d’histoire des sciences et de la technique. Cela permet de comprendre la diversité des réseaux électriques actuels (parenthèse historique).Dans cette fiche se trouve une notice pour construire un alternateur. C’est une jolie activité manuelle qui nécessite du temps. Elle peut très bien faire l’objet d’un projet interdisciplinaire avec les AC&M ou l’objet d’un travail développé par un groupe dans le cadre des OCOM. On pourrait évaluer la qualité du montage produit, les améliorations apportées au modèle et la compréhension de ce dispositif.

Projet : EPFL | dgeo | Solar Impulse

Rédaction : Marie-Noëlle Kaempf

Graphisme : Anne-Sylvie Borter, Repro - Centre d’impression EPFL

Suivi de projet : Yolande Berga

MAGNÉTISME + ÉLECTRICITÉ

MOTEUR !

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Notions abordéesPhysique :

• Moteur

• Alternateur

• Courant et tension électriques

• Magnétisme

• Electroaimant

Objectifs d’apprentissage du PER MSN 36 - 35. Analyser des phénomènes natu-rels et des technologies à l’aide de démarches caractéristiques des sciences expérimentales :

• en acquérant les connaissances nécessaires en physique et en chimie.

• en utilisant un modèle pour expliquer et/ou prévoir le fonctionnement d’un objet tech-nique.

SHS 32 - 33. Analyser l’organisation collective des sociétés humaines d’ici et d’ailleurs à travers le temps :

• en analysant les différentes conceptions des relations entre individus et groupes sociaux à différentes époques.

Disciplines et options concernéesSciences : 11e

OCOM - Sciences * : 11e

OS MEP * : 11e

L’alternateur ou différents types de moteurs homopolaires sont destinés aux OCOM dans le cadre d’un projet de plus longue durée.

Durée de l’activitéIntroduction aux notions théoriques nécessaires : 1 période

Activité pratique

• Moteur : 1 période

• Alternateur : projet pour groupe de deux ou trois élèves. Son développement et son per-fectionnement peuvent aussi être menés avec la collaboration d’élèves en AC&M. Compter 4 périodes pour le montage de base.

Bibliographie

Pour plus de détails sur l’enchaînement des découvertes de l’électroaimant

et de ses applications :

Les Merveilles de la science ou description populaire des inventions mo-

dernes (chapitre de l’électromagnétisme)

de Figuier Louis ; éditeur : Furne, Jouvet (Paris) 1867

Livre numérisé accessible par le lien suivant :http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k24674j/f725.image

* Disciplines spécifiques à la scolarité vaudoise OCOM : options de compétences orientées métiers OS MEP : option spécifique mathématiques et physique

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LES AIMANTS - GUIDE 3/6

LA RÉVOLUTION !

Pour comprendre le fonctionnement d’un électroaimant, vous pouvez aborder préalablement la fiche LES AIMANTS « je t’aime… moi non plus ».

Des activités et plus de détails sur l’histoire des piles se trouvent dans les fiches « batteries » et « bat-teries-guide » du projet ELEMO.

http://www.elemo.ch/page-63106-fr.html site web elemo.ch, « batteries »

LE MOTEUR ÉLECTRIQUE DE BASE

Une animation sur le site edumedia permet de montrer clairement comment l’alimentation alternative triphasée des trois bobinages produit trois champs magnétiques variables dont la résultante est un champ magnétique d’intensité constante mais dont l’orientation tourne.

http://www.edumedia-sciences.com/fr/a499-moteur-synchrone site edumedia-sciences.com, moteur synchrone

PARENTHÈSE HISTORIQUE

C’est un texte annexé à la fiche élève à lire et à commenter avec les élèves. Il retrace l’histoire du dé-veloppement de l’électromagnétisme et ses applications aux réseaux électriques de distribution.

LE MOTEUR À L’ENVERS – UNE GÉNÉRATRICE !

Ce chapitre souligne le fait que l’utilisation des moteurs électriques est réversible. C’est là un aspect important, car les génératrices (machine dynamoélectrique, alternateur, etc.) ont permis la production d’électricité avec une intensité et une tension suffisante pour permettre sa distribution à large échelle et l’utilisation de moteurs électriques puissants. Actuellement, c’est aussi un élément important pour la fabrication d’électricité issue d’énergies renouvelables. Les éoliennes, les usines hydroélectriques des barrages, ainsi que les stations au fil de l’eau ou marémotrices utilisent toutes des génératrices de ce type. On exploite aussi ce principe dans les véhicules électriques ou hybrides pour récupérer l’énergie cinétique lors des freinages.

Voici deux animations qui illustrent le principe de fonctionnement de l’alternateur :http://www.edumedia-sciences.com/fr/a112-generatrice-electrique

site edumedia-sciences.com, génératrice électrique

http://www.youtube.com/watch?v=0j2uS78H8Qs L’alternateur [Sciences et Techniques]

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4/6 LES AIMANTS - GUIDE

Marche à suivre

Pour former le bobinage, enrouler le fil autour d’un cylindre. Laisser dépasser les deux extrémités.

Principe du moteur

C’est un petit modèle de moteur à courant continu. On utilise pendant un demi-tour la répulsion, puis l’attraction du champ magnétique de la bobine par celui de l’aimant permanent. Puis on profite de l’inertie du rotor car le courant est coupé. En effet, la bobine effectue alors un demi-tour sur la partie non dénudée de l’extrémité du fil de la bobine.

La bobine est un électroaimant lorsqu’elle est parcourue par un courant. Les indications nécessaires à l’orientation du champ magnétique produit se trouvent sur la fiche-élève, dans le paragraphe « LA RÉVOLUTION ! ».

TECHNOLOGIE : UN MOTEUR « FAIT MAISON »

Voici un moteur à courant continu facilement réalisable.

Matériel nécessaire

• une pile AA

• du fil de cuivre avec un revêtement en céramique

• un aimant fort (un cube de 5mm en néodyme suffit)

• deux épingles de sûreté (imperdables)

• un élastique

• une lame (couteau ou cutter)

Attention : les aimants au néodyme sont très puissants. Il faut les manipuler avec précaution !

Racler l’une des extrémités du fil, de manière à enlever la couche isolante sur tout le pourtour. Faire de même avec l’autre extrémité, mais ne racler que la moitié supérieure (lorsque la bobine est positionnée verticale-ment).

Une petite vidéo en ligne, montrant le moteur en action, est à disposi-tion sur le site des fiches.

extrémité entièrement dénudée

extrémité dénudée sur la moitié

supérieure

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LES AIMANTS - GUIDE 5/6

Explication du fonctionnement

Un petit repère blanc est placé sur le dessin pour observer la rotation.

La bobine va tourner comme l’in-dique les flèches noires, car le champ généré par le courant qui circule va s’aligner sur le champ de l’aimant (Fig. A, puis Fig. B).

Une fois que la bobine a dépassé l’horizontale, le contact électrique ne se fait plus au niveau de l’imper-dable à cause de la protection en céramique du fil. La bobine poursuit sa course par inertie (Fig. C).

Remarque

Les moteurs à courant continu ont l’avantage de ne pas nécessiter de dispositif électronique pour gé-rer le courant alternatif. Il est beaucoup plus facile d’adapter leur sens, leur puissance, etc. Par contre, les contacts sur ce type de moteurs sont souvent assurés par des balais (petites brosses métalliques) sur des bagues (collecteurs). Les balais s’usent et sont la cause de frottements importants. C’est le point faible de ce genre de dispositifs qui tendent à disparaître.

http://www.edumedia-sciences.com/fr/a182-machine-a-courant-continu site edumedia-sciences.com, machine à courant continu

C’est pourquoi on a opté pour des moteurs sans balais pour Solar Impulse. En contrepartie, il a fallu concevoir des dispositifs performants et innovants pour pouvoir régler la puissance du moteur et adap-ter le courant continu produit par les cellules photovoltaïques.

I

I

Bbobine

Baimant

I

B

F

Fig. A

Fig. C

Fig. B

Fig. D

Fig. E

Prolongement pratique

Il existe d’autres moteurs réalisables à l’aide d’une pile et d’aimants : les moteurs homopolaires. Ils fonctionnent aussi avec du courant continu.Sur le site, il y a trois moteurs de ce type qui sont proposés sur des vidéos.Pour en expliquer le fonctionnement, il faudra faire appel à la notion de force de Laplace. Celle-ci s’exerce sur un fil électrique dans lequel un courant circule en présence d’un champ magnétique. Pour prévoir sa direction, on utilise la règle de la main droite : I indique le sens du courant, B le sens du champ magnétique et F le sens de la force qui s’exerce sur le fil.

La bobine passe la verticale toujours sans qu’aucun courant ne parcoure la bobine (Fig. D).

Le contact se fait à nouveau lorsque l’anneau dépasse l’hori-zontale (Fig. E). Le courant circule et génère le champ magné-tique. La boucle doit continuer de tourner pour que son champ s’aligne sur celui de l’aimant.

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6/6 LES AIMANTS - GUIDE

POUR ALLER PLUS LOIN… TECHNOLOGIE : L’ALTERNATEUR

Voici les bases pour créer un petit alternateur avec un matériel rudimentaire.

Le guide complet pour la réalisation se trouve dans la fiche de l’élève. La réalisation est délicate et né-cessite du temps. C’est un montage que l’on peut difficilement entreprendre au cours de sciences ou de MEP. Mais dans le cadre d’un projet des OCOM, c’est une activité intéressante.

C’est un montage que l’on peut améliorer et perfectionner, d’autant plus s’il est mené de manière in-terdisciplinaire avec les AC&M. Si on peut l’équiper d’une manivelle, d’une courroie d’entraînement ou augmenter le nombre de spires, on pourra obtenir une source d’alimentation intéressante. Pourquoi ne pas construire une éolienne ?