Préparation au Concours de Recrutement des Professeurs des Écoles. Cours de Sciences et Technologies

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1 Préparation au Concours de Recrutement des Professeurs des Écoles Cours de Sciences et Technologies Denis Machon Enseignant-chercheur Université Lyon I Institut Lumière-Matière (Nano)matériaux pour l énergie denis.machon@univ-lyon1.fr 6 séances de 2h, le Mardi de 16h à 18h

2 Électricité: générateurs et récepteurs, circuits électriques. Sécurité des personnes et des installations.

3 L électricité, à l école primaire: Cycle 2: Les objets et les matériaux: réalisation d un circuit électrique simple (pile, lampe, interrupteur). Adopter un comportement raisonné face aux risques électriques. Cycle3: Le monde construit par l homme: circuits électriques alimentés par des piles; conducteurs et isolants; Montages en série et en dérivation. Principes élémentaires de sécurité électrique.

4 L électricité, c est quoi?

5 Atome = noyau + électrons Noyau = proton + neutron Le modèle «planétaire» est très «visuel» mais faux

6 Electron: charge électrique «négative» Proton: charge électrique «positive» Les charges + et s attirent Les charges + (-) se repoussent On peut prendre des charges des atomes (électrons «libres») Démonstration????

7 Courant électrique: c est une circulation de charges électriques Que faut-il pour construire un circuit électrique?

8 Courant électrique: c est une circulation de charges électriques Que faut-il pour construire un circuit électrique?

9 Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau conducteur.

10 Pour qu un courant électrique existe, il faut réunir 2 conditions: - La présence d un générateur (pile, batterie), pour mettre les électrons en mouvement - Un support au déplacement des électrons (fils, filament de lampe, métal, interrupteur fermé )

11 Composants électriques Un montage électrique comprend plusieurs composants que l on classe en 2 catégories - Générateurs qui fournissent les électrons (énergie électrique) - les récepteurs qui transforment cette énergie en une autre forme d énergie (lampe à incandescence, moteur électrique, Résistance, etc.)

12 Circuits électriques Un circuit électrique comprend au moins un générateur et un récepteur Il est constitué d une chaîne continue d éléments reliés entre eux (fils électriques) Un «trou» dans la chaîne empêche le courant de circuler. (le circuit est Dit «ouvert»)

13 Les matériaux qui constituent les récepteurs et les éléments de liaison du circuit Électrique sont des conducteurs électriques (cuivre, aluminium, acier, etc ). Ils permettent le passage du courant électrique, contrairement à d autres matériaux Qui s opposent au passage du courant : les isolants électriques (verre, porcelaine, bois, air, plastique ) Remarque: l eau est un conducteur électrique

14 La lampe s éclaire-t-elle?

15 Quels générateurs de courant électrique??

16 Autres exemples de générateurs d électricité: fer cuivre Le citron joue le rôle de l électrolyte.

17 La production d électricité: Les piles. Les alternateurs électro-magnétiques (ex. génératrice de vélo) Les centrales thermiques classiques à flamme. Les centrales nucléaires. Les centrales hydrauliques. Les éoliennes. Principe de fonctionnement d un alternateur: rotor stator

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19 Comment représenter un câblage électrique?

20 Schémas normalisés

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24 Intensité du courant électrique Cela représente la quantité d électricité (liée au nombre de particules en Mouvement) qui passe à un endroit donne du circuit en un temps donné. I + A -

25 Tension elle est proportionnelle à l énergie potentielle électrique, et mesure la «tendance» plus ou moins forte à faire circuler le courant (donc avancer les électrons) dans le circuit. Elle se mesure en Volts (V). La tension délivrée par les prises du secteur par EDF est de 220 V «efficace», et est alternative de fréquence 50 Hz. neutre V - V + phase V + - V - = 220 V

26 La tension est représentée sur un schéma par une flèche entre deux points du circuit (points A et B). Elle se mesure avec un voltmètre. A U AB V B

27 Tension et courant électriques: analogie montagnarde Tension: dénivelé Intensité: nombre de skieurs sur les pistes

28 Circuit: pistes balisées Générateur: remontées mécaniques

29 La résistance électrique: effet «passif» d un matériau qui revient à faire diminuer localement la tension. ~ l'aptitude d'un matériau conducteur à s'opposer au passage du courant électrique Résistance électrique ~ frottement des électrons dans le matériau Analogie montagnarde: résistance ~ difficulté des pistes

30 Relation entre grandeurs électriques Le courant traversant l ampoule dépend de la tension appliquée, et de la résistance de l ampoule. Loi d Ohm V + - V - = R. I U = R I Pour une tension fixée, l est d autant plus grande que R est petit. Le courant suit le chemin de moindre résistance Analogie montagnarde: résistance ~ difficulté des pistes

31 Puissance électrique P = U I Comme U = R I P = R I 2 Effet Joule Conversion de l énergie Électrique en énergie thermique

32 Cas de la résistance du corps humain: R ohms (pieds nus) R ohms (avec bottes). C est l intensité du courant I qui est nocive pour la santé, de 0,2 ma (seuil de sensation) à 65 ma (seuil de fibrillation ) V = 120 V, I = V / R = 2,4 ma avec bottes = 80 ma pieds nus! N oubliez pas de mettre des bottes en caoutchouc!

33 Sécurité électrique: Dangers liés aux installations domestiques La tension aux bornes des prises électriques de la maison est une tension dangereuse pour le corps humain. I = U/R si R = 1500 ohms, I ~ 150 ma Elle peut être la cause d électrisation: risque de brûlures ou d électrocution (électrisation entraînant la mort). La présence d eau, conductrice, augmente les dangers.

34 Protection des personnes Les dangers du courant électrique sur le corps humain: c est le courant électrique qui est dangereux. -Seuil de sensation: ma -Seuil de lâcher prise: 10-15mA (ou de rester pris = tétanisation) -Seuil d asphyxie: ma (spasme du diaphragme) -Seuil de fibrillation: ma Or le corps humain est un assez bon conducteur d électricité. La peau est assez isolante. Les nerfs sont très conducteurs.

35 Expérience de Galvani (18 e s.) La cuisse de grenouille joue en fait le rôle d un électrolyte, ou d un fil électrique. Elle se contracte sous l effet du passage du courant. Il ne s agit pourtant pas d une manifestation de la vie

36 Quelques règles de sécurité: C est la tension ou différence de potentiel, et la résistance, qui conduisent à un courant donc à des dommages. Attention: la peau mouillée est bonne conductrice d électricité (ne pas utiliser un appareil électrique sous tension avec la peau mouillée) Attention aux arrivées de courant: prises, lampes sans ampoules, appareils électriques ouverts sous tension, câbles électriques. (isoler de la source de tension grâce au disjoncteur avant de toucher) Attention à l état des appareils, des revêtements isolants. (ne pas toucher des conducteurs partiellement dénudés) Attention aux contacts avec des conducteurs: métaux

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38 Mesures de protection - Utiliser une très basse tension (12 V, par exemple) - Éviter le contact avec le courant électrique (prises plastiques, gaines plastiques, Armoire électrique, etc ) - Utiliser un dispositif différentiel

39 Fonctionnement normal 220 V Fil de phase I 0 V Fil neutre I

40 220 V Fil de phase I fuite e - 0 V Fil neutre I I fuite

41 La prise de terre: permet un court-circuit de la carcasse des appareils électriques à la terre, de façon à éviter qu un éventuel courant de fuite circule dans l utilisateur.

42 avec prise de terre: 220 V Le courant de fuite part par le fil de terre. Fil de phase I e - R homme > 0 Le courant ne passe pas par là. 0 V 0 V R = faible Fil de terre fuite I Fil neutre

43 Disjoncteur différentiel

44 Protection des équipements Défauts pouvant survenir -La surcharge Exemple: moteur de machine à laver qui se bloque Trop d appareils branchés simultanément -Le court-circuit

45 8 Il peut être la cause d une panne, de la destruction du générateur, D un départ d incendie ou de brûlures. Cas d un court-circuit. R fil = 0 ; I + - Le courant suit le chemin de plus faible résistance P = U I U = 4,5 Volts

46 Habitation Le fusible est un fil métallique Qui fond au delà d un certain D une certaine température C-a-d d un certain courant = ouverture du circuit

47 En voiture

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49 Ce sujet d électricité demande une réponse montrant que l on connaît la nature conductrice du corps des animaux et que l on a compris que l électrocution a lieu quand le corps ferme un circuit électrique contenant un générateur Pour transporter l électricité de la centrale électrique (le générateur) aux appareils domestiques d usage courant (récepteurs), on a besoin de deux fils électriques.

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51 I U G U A I U AB B U G U Dans un fil conducteur R ~ 0 Donc pour I fini, U AB = R.I ~ 0

52 Cas des oiseaux perchés sur un seul fil R oiseau I oiseau ~ 0 U G A I B U Entre A et B, U AB ~ 0 Comme U = R.I => I ~ 0 Le courant ne traverse pas les oiseaux

53 Cas des oiseaux perchés sur les deux fils I I oiseau U G U R oiseau Dans ce cas, U = R oiseau.i Oiseau Avec U 0 donc I 0