Electricité expériences
Pile au fromage
Pile au citron
Pile à la pomme de terre
Canette d’aluminium, C, CuSO4
Pile au crayon (carbone) et taille crayon (magnésium)...
Fin de la page
Suite du cours: les lampes électriques
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Oxydation du fer
Avant la réaction
Le fer (Fe) est un métal, gris clair, ductile, brillant, magnétique, bon conducteur électrique (la réaction est même initiée par le passage du courant).
Pendant la réaction
Le fer devient incandescent. La lumière émise va du orange-jaune jusqu’au blanc. Le fer réagit avec le dioxygène présent dans l’air selon l’équation:
Après la réaction
L’énergie d’activation (flamme ou courant électrique) ne suffit pas à provoquer une réaction complète. La réaction s’arrête d’elle-même après un certain temps hors de la flamme. Le produit de la réaction est un oxyde de fer: solide, gris bleuté, friable, de formule Fe3O4 (comme le minéral magnétite).
Fer
Oxyde de fer
Fabrication d’une pile
cuivre (Cu)
zinc (Zn)
cuivre (Cu)
magnésium (Mg)
Accumulateur au plomb : batterie 12V d’une voiture
Mesure de la tension d’une «pile»
Production d’électricité avec les muscles
manivelle
engrenages
générateur
ampoule 30W
fil conducteur
Fixation du générateur au bord d’une table.
Rotation de la manivelle avec l’ampoule dévissée:
la résistance du mécanisme est faible.
Rotation de la manivelle avec l’ampoule vissée:
la résistance est beaucoup plus grande. Les muscles du bras peinent à produire la lumière d’une petite ampoule 30W.
On comprend le rapport physique qu’il y a entre la production d’énergie lumineuse et la force musculaire nécessaire.
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Notre radio peut fonctionner grâce à une pile 4,5 V mais aussi grâce à la force de nos muscles.
Pile 4,5V
L’insecte électrique
Après avoir testé les différentes piles clique sur les pôles positifs (+) des piles suivantes :
Pour commencer nos expériences nous avons besoin d’un peu de matériel:
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une ampoule
un socle
une pile 4,5 V
2 fils électriques
4 attaches parisiennes en guise de fiches
L'électricité produit de la lumière
Nous relions une ampoule à une pile sans utiliser les fils de façon à ce qu'elle produise de la lumière. L'ampoule ne s'allume pas si elle est reliée à un seul pôle de la pile.
L’ampoule consomme l’électricité produite par la pile.
Elle transforme l’énergie électrique en énergie lumineuse.
La partie de l'ampoule qui émet de la lumière s’appelle le filament.
Sur la video tu peux voir un filament s’allumer au ralenti.
Premier circuit électrique
On peut utiliser le socle ainsi que les 2 fils qui doivent être dénudés à leurs extrémités.
le socle
extrémités dénudées
une pince à dénuder permet de réaliser facilement cette opération. Mais on peut très bien y arriver avec une paire de ciseaux ou un couteau bien aiguisé.
Circuit ouvert ou fermé ?
Lorsque le circuit est fermé, le courant électrique passe: la lampe s'allume.
Si le circuit est ouvert le courant ne passe pas: la lampe est éteinte.
circuit fermé
circuit ouvert
circuit ouvert
L'interrupteur
L'interrupteur est un appareil qui permet d'ouvrir et de fermer notre circuit à volonté, sans avoir besoin de couper des fils. Un circuit muni d'un interrupteur se représente ainsi:
Circuit ouvert
Circuit fermé
A
B
Le circuit est ouvert entre A et B: le courant ne passe donc pas et l'ampoule est éteinte. Si nous relions A et B au moyen de divers objets de différentes matières, il y a 2 solutions:
L'ampoule s'allume, donc le corps étudié laisse passer le courant: c'est un conducteur électrique.
L'ampoule ne s'allume pas, donc le corps étudié ne laisse pas passer le courant: c'est un isolant électrique.
matière isolante
matière conductrice
Nous pouvons classer toutes les matières qu’on trouve autour de nous en 2 familles: conducteur et isolant.
fer, aluminium, acier, cuivre, laiton, nickel, zinc, étain, plomb, verre, caoutchouc, plastique, sel, eau pure, eau salée, graphite , bois sec, peau sèche, nylon, porcelaine, huile, granite, calcaire...
Nous voulons découvrir quels sont les corps conducteurs parmi tous ceux que nous connaissons. Pour y parvenir nous réalisons le montage suivant:
plastique
bois sec
acier
argent
aluminium
étain
laiton
cuivre
fonte
zinc
plomb
nickel
aluminium
latex
acier
graphite (mine)
tissu en coton
or
papier
granite (roche)
sagex
fer blanc
1.
2.
Tous les métaux étudiés (fer, aluminium, cuivre, laiton, étain, nickel, plomb, zinc et acier) sont conducteurs (d’électricité mais aussi de chaleur).
On utilise les métaux pour conduire l’électricité et le plastique pour isoler.
gaines isolantes en plastique
métal conducteur
Isolant ou conducteur ?
L’électricité doit pouvoir circuler d’un pôle de la pile à l’autre sans interruption. Si on débranche un fil, le courant électrique ne passe plus et la lampe s'éteint.
On peut facilement fabriquer un interrupteur avec un socle en carton et 2 attaches parisiennes.
A
B
Jusqu’à présent nous avons utilisé une pile 4,5 V. Il existe différentes piles et accumulateurs. Nous pouvons mesurer leur tension en branchant un voltmètre aux pôles.
Il faut sélectionner «courant continu» (DC) sur le voltmètre.
L’inventeur de la pile, Alessandro Volta (1745-1827), a réussi à produire de l’électricité en empilant des pièces de différents métaux séparés par des tissus imprégnés d’électrolytes (eau salée).
On peut créer des piles avec différents matériaux:
Le grand classique c’est la pile au citron avec les lames de 2 métaux: cuivre et zinc:
Montage en parallèle
Montage en série
Montage mixte
A
B
C
A
A
B
B
C
C
circuit en parallèle
circuit en série
L’expérience consiste à réaliser ces différents circuits et observer la lumière émise par les ampoules.
Circuit avec plusieurs générateurs
Lorsque je branche une ampoule sur une pile, elle brille normalement pendant un certain temps.
Lorsque je place 2 piles en parallèle, l’ampoule brille normalement mais 2 fois plus longtemps.
Lorsque je place 2 piles en série, l’ampoule ne brille pas plus longtemps mais 2 fois plus fort.
La pile 4,5V que nous utilisons est formée en réalité de 3 piles 1,5 V. Elles sont placées en série et nous pouvons la représenter par un schéma:
J’ai démonté une pile 9V pour voir comment c’est à l’intérieur. comment peut-on la représenter avec un schéma?
J’ai démonté un petit sac à rire. Essaie de reconnaître les éléments qui le constituent. Comment les piles boutons sont-elles placées?
Si on branche plusieurs consommateurs sur un seul générateur, il existe plusieurs façons de réaliser le circuit. Avec 3 ampoules A, B et C, nous obtenons 3 circuits différents:
Circuit avec plusieurs consommateurs
Etude de divers consommateurs d’électricité
Il faut passer par 11 postes différents et faire fonctionner les divers consommateurs. Il faut voir si le fait de changer la polarité (intervertir les fils) a un effet.
le smartphone
le vumètre
le moteur électrique
la sonnette électrique
le haut-parleur
l’électroaimant
le micro
le voltmètre
Remplissage d’une batterie au plomb 12V
La batterie au plomb est constitué de 6 cellules de 2V en série qui délivrent une tension totale de 12V.
les 6 cellules sont remplies avec 6 volumes d’acide sulfurique H2SO4
pôle
pôle
Chaque cellule est le lieu d’une réaction chimique:
plomb
dioxyde de plomb
acide sulfurique
sulfate de plomb
eau
Lorsque la cellule délivre du courant électrique, c’est le plomb qui fournit les électrons au pôle négatif: il s’oxyde. Lorsque les électrons ont parcouru le circuit électrique et qu’ils reviennent dans la cellule: ils réduisent le dioxyde de plomb.
la carcasse métallique est reliée à la terre
(câble jaune et vert)
entrée du courant alternatif 230V
interrupteur
ventilateur
alimentation du ventilateur en courant continu 5V
phase (câble brun)
neutre (câble bleu)
Si j’ouvre le boîtier d’un disque dur, je remarque que la carcasse métallique est reliée à la terre au moyen du fil vert.
Le tournevis testeur me permet de découvrir la borne reliée à la phase.
résistance
L'ampoule à incandescence a été inventée par Joseph Swan en 1878 et améliorée par Thomas Edison.
Lampe à incandescence “classique”
Les électrons (petites particules d’électricité) s’écoulent dans les parties conductrices du circuit. Le fil a toujours le même diamètre. Tout à coup les électrons arrivent dans le filament de l’ampoule: le chemin est subitement plus étroit. Le frottement des électrons dans la matière explique le dégagement de chaleur et de lumière.
Lampe halogène
La chaleur dégagée par une ampoule est un effet indésirable. Lorsqu'un matériau conducteur est parcouru par un courant électrique, il s'échauffe: c'est l'effet Joule (James Joule a découvert ce phénomène en 1841). Tous les appareils qui consomment de l'électricité s'échauffent donc. Cet effet est parfois désiré (radiateur électrique, grille-pain) mais il est le plus souvent inutile et même néfaste: c'est du gaspillage. On a donc inventé des lampes qui produisent plus de lumière et moins de chaleur que les ampoules classiques pour économiser l’électricité.
Le filament est en tungstène, un métal qui ne fond qu'à très haute température (plus de 5000 °C). Il est porté ici à 2700 °C. Le premier filament utilisé par Edison était une fibre de bambou carbonisée.
Le gaz contenu dans l'ampoule est du krypton, un gaz rare et inerte (de la même famille que l'hélium et le néon). On ne peut pas laisser de l'air dans l'ampoule car le filament brûlerait dans l'oxygène. Au début on faisait le vide dans l’ampoule mais le filament s’évaporait plus vite: il durait moins longtemps et le verre noircissait.
Le culot des lampes est standardisé: les différents fabricants produisent des lampes qui s’adaptent aux douilles de fixation.
ampoule de verre
(matière transparente)
filament
gaz emprisonné
culot à vis
plot
conditions normales d’utilisation :
3,5 V (tension en volt)
0,2 A (courant en ampère)
culot à baïonnette
La lampe halogène est une lampe à incandescence: la lumière est produite par le passage d’un courant électrique dans un filament. Elle fonctionne selon le même principe que la lampe à incandescence classique à quelques différences près:
l'ampoule est en quartz: elle résiste à de plus hautes températures mais elle est plus chère.
le gaz de remplissage est l'iode (de la famille des halogènes comme le fluor et le chlore)
le filament de tungstène est porté à 3000 °C.
1.
2.
3.
Tableau périodique des éléments :
la famille des halogènes (en bleu foncé).
2 pôles
Le tungstène
(symbole chimique W, de l’allemand wolfram)
Retrouve les parties de l’ampoule sur le dessin en coupe.
En rouge:
les parties conductrices
En vert:
les parties isolantes
Miroirs de lampes de poche
Le miroir parabolique
La boule à plasma
Des fiches et des prises
gaine isolante en plastique
métal conducteur
On ne peut pas brancher un micro directement dans un ordinateur, on doit passer par une interface: une MBox par exemple. Elle comporte différentes entrées à l'arrière. Nous avons utilisé les entrées XLR pour le micro. Ainsi, le son entre par ces câbles XLR dans la MBox, et resortent par un câble USB compatible avec l'ordinateur.
interface MBox
fiche XLR mâle
fiche XLR femelle
fiche Jack mâle
Alphabet Morse: message codé
Samuel Morse dépose un brevet en 1840 pour un télégraphe électrique. L’information est véhiculée dans les fils électriques au moyen d’impulsions électriques courtes ou longues. Un code simple permet de traduire les chiffres et les lettres en une succession de points et de traits. On peut aussi utiliser le code Morse pour envoyer des signaux lumineux ou sonores.
Ecris ton nom en morse .....................................
Le signal international de détresse SOS existe depuis 1906. Le naufrage du Titanic en 1912 l’a rendu célèbre.
Ecris “SOS” en Morse : ......................................
Je t’envoie un message: à toi de traduire: ...............................
1.
2.
3.
Dissection d’un disque dur
Dissection d’une pile 4,5 V
Ou plus simplement :
3 piles boutons
interrupteur
le circuit est ouvert: le courant ne passe pas
le circuit est fermé: le courant passe
interrupteur
Le courant est produit par 2 piles 1,5V placées en série: la tension totale est donc de 3V
on voit les 2 piles 1,5V placées en série
la lampe est éteinte
la lampe est allumée
miroir parabolique
Le miroir parabolique permet de rassembler tous les rayons lumineux et de les envoyer en un faisceau parallèle dans la direction voulue.
Dissection d’une lampe de poche
Un peu d’électronique
Condensateurs
Nous pouvons essayer de suivre le chemin parcouru par l’électricité dans des fils, des circuits et des circuits intégrés.
Mon smartphone contient une batterie déchargée.
losque je connecte les fils de l’alimentation
à une pile 4,5 (en respectant la polarité),
l’écran s’allume après quelques secondes.
L’aiguille du vumètre réagit au passage du courant.
Lorsqu’on inverse les pôles de la pile,
le moteur tourne en sens inverse..
Le mouvement rapide de va et vient du battant de la sonnette est produit par le passage du courant continu produit par la pile dans les électroaimants.
Un courant alternatif provoque le mouvement de la membrane d’avant en arrière: la vibration de celle-ci est transmise à l’air qui transporte le son.
Le micro contient une membrane qui fonctionne à l’envers de celle du haut-parleur: les oscillations de l’air transmises à la membrane sont transformées en un micro courant alternatif. Celui-ci doit être amplifié pour être audible.
l’ampoule 3,5 V
l’ampoule 12 V
Reliée à la pile 4,5V , elle produit une lumière blanche intense. L’ampoule fonctionne aussi lorsqu’on inverse les pôles de la pile.
Reliée à la pile 4,5V , elle produit une lumière faible.
la diode électroluminescente (LED)
le «buzzer»
Elle ne laisse passer le courant que dans un sens.
Le buzzer émet une sonnerie lorsque le courant passe dans un sens mais pas dans l’autre.
le train électrique
Le changement de polarité du générateur permet de passer de la marche avant à la marche arrière.
Le courant passe par le rail et le fil central
la perceuse-jouet
La perceuse fonctionne grâce à un moteur électrique.
Le changement de polarité de la pile fait tourner le moteur en sens inverse.
Le passage d’un courant dans un fil enroulé autour d’un noyau de fer, transforme celui-ci en aimant temporaire.
rotor d’un moteur électrique
Micro bricolé avec un aimant, une bouteille PET et un sac en plastique fin.
Le multimètre permet de mesurer des grandeurs électriques :
Le voltmètre permet de mesurer la tension exprimée en volt (V) :
L’ampèremètre permet de mesurer l’intensité du courant exprimée en ampère (A) :
le panneau solaire
la voiture solaire
Le panneau photovoltaïque transforme l’énergie lumineuse en énergie électrique.
L’énergie lumineuse captée par le panneau photovoltaïque est transformée en électricité puis en mouvement grâce à un petit moteur électrique.
Mesure de grandeurs électriques
diverses lampes
un rasoir électrique
un presse-agrumes
un sèche-cheveux (position «air froid»)
un sèche-cheveux (position «air chaud»)
une bouilloire
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La puissance est une unité composée. Elle correspond à l’énergie consommée en un certain temps. On peut noter:
Puissance = Energie / temps
l’ampèremètre
le wattmètre
Le wattmètre permet de mesurer la puissance du courant exprimée en watt (W). Nous mesurons la puissance électrique nécessaire pour faire fonctionner divers appareils à l’aide d’un multimètre: