Physique Chimie. Anciennes pistes d activité toutes les centrales électriques.

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1 Document du professeur 1/10 Fiche professeur Physique Chimie LA PRODUCTION D ELECTRICITE DANS LES CENTRALES ; L ALTERNATEUR Niveau 3 ème Programme B - Énergie électrique et circuits électriques en «alternatif» B.1 De la centrale électrique à l utilisateur Cette proposition d expérimentation illustre le programme de la classe de Troisième paru au BO spécial n 6 du 28 août Il a été reporté dans la colonne «Commentaires» les pistes d activité du programme précédent qui peuvent parfois s avérer utiles. Connaissances Capacités Commentaires DES POSSIBILITÉS DE PRODUCTION DE L ÉLECTRICITÉ Quel est le point commun des différentes centrales électriques? L alternateur est la partie commune à Anciennes pistes d activité toutes les centrales électriques. L énergie mécanique reçue par l alternateur est convertie en énergie électrique. Réaliser un montage permettant d allumer une lampe ou de faire tourner un moteur à l aide d un alternateur. Organiser l information utile afin de traduire les conversions énergétiques dans un diagramme incluant les énergies perdues pour l utilisateur Activité documentaire sur le principe de fonctionnement des centrales électriques. Activités expérimentales : «production» d énergie électrique par mise en rotation d un alternateur grâce à : - l entraînement mécanique du galet d un alternateur de démonstration ; - l action d une chute d eau (principe d une centrale hydroélectrique), d un jet de vapeur d eau (principe d une centrale thermique), d un jet d air (principe de l éolienne). Sources d énergie renouvelables ou non. Extraire d un document les informations relatives aux sources d énergie. Thèmes de convergence : développement durable, énergie L ALTERNATEUR : Comment produit-il une tension variable dans le temps? Un alternateur produit une tension Anciennes pistes d activité variable dans le temps. Une tension, variable dans le temps, peut être obtenue par déplacement d un aimant au voisinage d une bobine. Pratiquer une démarche expérimentale pour illustrer l influence du mouvement relatif d un aimant et d.une bobine pour produire une tension. Observation des éléments constitutifs d'un alternateur de démonstration. Déplacement (lent) d un aimant près d une bobine pour constater, grâce à un multimètre en continu, un oscilloscope ou à l aide d une interface d acquisition, l obtention d une tension variable au cours du temps.

2 Document du professeur 2/10 Pré requis de l élève - L élève sait mesurer une tension avec un voltmètre. Mots clefs aimant alternateur bobine centrale électrique éolienne énergie éolienne hydroélectrique mécanique pile pôle nord pôle sud tension thermique voltmètre Prévoir Matériel Poste élève Référence o Une bobine o Un aimant o Une pile 4,5 V o Deux pinces crocodile o Une génératrice de bicyclette démontable o Une génératrice de bicyclette transparente o Une génératrice 6 V-3W o Un galvanomètre de démonstration o Un alternateur o Un module «roue à aubes et turbine» o Un module «éolienne» o Un ensemble SECUCONTACT o Deux fils de connexion (noir) (rouge) o Sèche-cheveux ou soufflerie Poste professeur Référence o Un alternateur o Un générateur de vapeur o Eau déminéralisée o Un module «roue à aubes et turbine» o Un ensemble SECUCONTACT o Deux fils de connexion (noir) (rouge)

3 Remarques, astuces Document du professeur 3/10 o Pour les activités 1 et 2, le voltmètre à «zéro central» pourra être remplacé par un oscilloscope : on se bornera à montrer les oscillogrammes obtenus sans balayage ; o Pour l étude des maquettes de centrales, les élèves seront répartis en groupes qui étudieront chacun un seul type de centrale (hydroélectrique ou éolienne) ; un compte-rendu du fonctionnement de chaque type de centrale sera présenté par chaque groupe à l ensemble de la classe. ATTENTION : Le professeur complètera cette étude avec la maquette de centrale thermique plus délicate à faire utiliser par les élèves (jet de vapeur d eau bouillante). Il s agit de reprendre la manipulation du paragraphe 3 bis en remplaçant la soufflerie ou le sèche-cheveux par le jet de vapeur produit par le générateur de vapeur référence Contrairement à une lampe, une DEL s allume facilement avec ces maquettes, d où le choix effectué. Le fait que la DEL ne s allume qu une alternance sur deux n est à évoquer que si un élève en fait la remarque : l important pour ces expériences est de voir la DEL s allumer, ce qui prouve la production d énergie électrique. Prolongements o En 2006, la production d énergie électrique en France se répartissait comme le montre le tableau ci-dessous. Type de centrale % de l énergie électrique produite s non renouvelables s renouvelables Thermique Thermique à Hydraulique Autres nucléaire flamme 78,1 9,8 11,1 1 Comme c est le cas depuis de nombreuses années, on remarque que ce sont les centrales nucléaires qui produisent la plus grande partie de l énergie électrique, l ensemble des énergies renouvelables représentant environ 12 % du total. o Parmi les énergies renouvelables, la répartition était : Hydraulique Biomasse Eolienne Géothermique Solaire % de l énergie électrique produite 92,58 5,6 1,6 0,16 0,06 Malgré la construction de nombreux parcs éoliens (un parc de 70 éoliennes a été inauguré à Fruges dans le Pas-de-Calais en février 2008), c est toujours l énergie hydraulique qui arrive largement en tête des énergies renouvelables dans la production d énergie électrique. o D autres sources d énergies renouvelables sont à l étude : Déjà expérimentée en Grande-Bretagne, une hydrolienne a été mise en place à Bénodet en mars 2008 : on utilise l énergie cinétique des vagues pour faire tourner les pales de l hydrolienne comme on se sert du vent pour faire tourner les pales d une éolienne. Cette hydrolienne expérimentale à l échelle ¼ fera l objet de nombreux contrôles et mesures.

4 Document du professeur 4/10 Les Norvégiens, quant à eux, testent une centrale basée sur le principe de l osmose : une membrane sépare deux réservoirs, l un alimenté en eau de mer et l autre en eau douce provenant d un fleuve. Par osmose, l eau douce passe dans le réservoir d eau salée, ce qui augmente la pression dans ce dernier, permettant de faire tourner une turbine. Les Écossais ont mis au point le projet «Pélamis» qui est un équipement flottant destiné à récupérer l énergie des vagues. Conçu à Edimbourg, «Pélamis» fait partie des objectifs ambitieux que s est fixée l'ecosse quant au développement d'une "énergie verte". Produit par la société «Ocean Power Delivery», «Pélamis» est une structure semi-émergée, composée de quatre cylindres positionnés dans la direction de propagation de la vague et reliés par des articulations. Dans chaque articulation se trouve un module de conversion d'énergie. En effet, dans chaque articulation, le mouvement des vagues agit sur un vérin hydraulique qui envoie du fluide haute pression vers un moteur hydraulique qui actionne un générateur d'électricité. L'énergie produite est envoyée, par l'intermédiaire d'un «cordon ombilical», vers les fonds marins puis la terre ferme. Un convertisseur «Pélamis» génère 750 kw ce qui représente la consommation de 500 foyers et un parc machine d'une surface de 1 km 2 devrait délivrer assez d'énergie pour foyers. Pistes d évaluation Expérimentales - Réaliser les expériences des activités 1 et 2 ; - Faire fonctionner une maquette de centrale hydroélectrique ou éolienne ; - Répartir équitablement le travail entre les membres du groupe ; - Ranger le matériel. Théoriques - Répondre aux questions des activités 1 et 2 ; - Conclure les activités 1 et 2 ; - Présenter le compte-rendu de l étude d une maquette de centrale électrique hydroélectrique ou éolienne ; - Répondre aux questions de l activité 4.

5 Nom : Prénom : Classe : Date : Document du professeur 5/10 Physique Chimie LA PRODUCTION D ELECTRICITE DANS LES CENTRALES ; L ALTERNATEUR Objectifs : Étudier le fonctionnement d un alternateur ; Découvrir différents modes de production de l énergie électrique ; Distinguer une source d énergie renouvelable d une source d énergie non renouvelable.. ACTIVITÉ 1 : Etudier un alternateur de bicyclette Une bicyclette est parfois équipée d un alternateur qui génère une tension électrique permettant d allumer le phare avant et le feu rouge arrière lorsque son galet est mis en contact avec la roue. 1. Observer un alternateur de bicyclette démonté. Quels sont les deux éléments fondamentaux dont il constitué? Un alternateur est constitué d un aimant et d une bobine. 2. On relie cet alternateur à une lampe. La lampe brille-t-elle? Non, la lampe ne brille pas. Que faut-il faire pour que l alternateur fournisse du courant électrique? Il faut faire tourner le galet, ce qui entraîne l aimant de l alternateur. 3. Relier une pile qui est un générateur de tension continue, à un voltmètre à «zéro central». Que fait l aiguille du voltmètre? L aiguille du voltmètre dévie. Si l aiguille du voltmètre dévie vers la droite, la tension mesurée est positive, sinon elle est négative. Quel est votre cas? La tension mesurée est * Réponse liée à l observation que fait l élève Inverser les connexions aux bornes de la pile. Que se passe-t-il? L aiguille du voltmètre dévie dans l autre sens. De quel signe est maintenant la tension? La tension est maintenant * Réponse liée à l observation que fait l élève 4. Relier l alternateur de bicyclette au voltmètre et faire tourner lentement l aimant par l intermédiaire du galet. Que remarquez-vous? L aiguille dévie tantôt vers la droite, tantôt vers la gauche.

6 La tension aux bornes du voltmètre est-elle constante ou variable au cours du temps? Cette tension est variable au cours du temps. Document du professeur 6/10 Est-elle toujours positive, toujours négative ou alternativement positive et négative? Expliquer. Cette tension est alternativement positive et négative car l aiguille du voltmètre dévie alternativement vers la droite et vers la gauche. Il existe une tension entre les bornes d un alternateur lorsque l aimant tourne devant la bobine. Cette tension est alternative : elle varie au cours du temps ; elle est tantôt positive, tantôt négative. ACTIVITÉ 2 : Produire une tension alternative Pour expliquer le fonctionnement de l alternateur, réaliser les expériences suivantes. Vous disposez d un aimant et d une bobine dont les extrémités sont reliées à un voltmètre à 0 central. 1. Approcher rapidement de la bobine le pôle nord* de l aimant. Que se passe-t-il? L aiguille du voltmètre dévie un bref instant. 2. Éloigner maintenant de la bobine le pôle nord* de l aimant. Qu observe-t-on? L aiguille du voltmètre dévie un bref instant dans l autre sens. 3. Avec ce dispositif, comment produire une tension alternative? Il faudrait approcher puis éloigner continuellement le pôle nord de l aimant. Plutôt que de faire des mouvements de va et vient avec l aimant devant la bobine, il est plus facile de faire tourner l aimant devant la bobine : les résultats obtenus sont identiques Tout alternateur, y compris celui de la bicyclette**, est formé d un aimant tournant devant une bobine***. *Les résultats obtenus en approchant puis en éloignant le pôle sud de l aimant sont exactement inverses. ** Dans l alternateur de bicyclette, le galet est relié à l aimant : faire tourner le galet revient à faire tourner l aimant! *** On peut parfois rencontrer des alternateurs formés d une bobine tournant devant un aimant : cela est plus difficile à mettre en œuvre mais les résultats sont les mêmes car ce qui compte est le mouvement relatif, l un par rapport à l autre, des deux éléments fondamentaux d un alternateur que sont l aimant et la bobine.

7 Document du professeur 7/10 Pour produire une tension est alternative, il suffit de faire tourner un aimant devant une bobine, ce qui revient à approcher puis éloigner successivement de la bobine le pôle nord (ou sud) de l aimant. ACTIVITÉ 3 : Décrire le fonctionnement d une centrale hydroélectrique A) Fonctionnement de l alternateur Vous disposez d un support, d un alternateur, d une manivelle, de deux fils de connexion et d une DEL (diode électroluminescente). 1. Fixer l alternateur sur le support et le relier à la DEL à l aide des deux fils de connexion. Rappeler quels sont les deux éléments principaux qui constituent un alternateur (ACTIVITE 1). Un alternateur est constitué d une bobine et d un aimant. 2. Fixer la manivelle sur l axe de l alternateur. 3. Faire tourner la manivelle. Qu observez-vous? La DEL s allume. 4. Compléter. Lorsqu on fait tourner l aimant d un alternateur devant une bobine, cela crée une tension électrique entre les extrémités de celle-ci, ce qui permet d allumer la DEL. B) Fonctionnement de la centrale hydroélectrique Vous disposez maintenant d un module «roue à aubes» en plus de l alternateur. 1. Enlever délicatement la manivelle de l alternateur (tenir la manivelle d une main et l alternateur de l autre main). 2. Fixer la partie transparente du module sur l alternateur grâce à sa partie adhésive en prenant soin de centrer son orifice central sur l axe de l alternateur. Une légère pression sur le module permet de bien positionner le système d accrochage. 3. Placer la roue à aubes sur l axe de l alternateur. 4. Relier le tuyau d écoulement du robinet au tube prévu sur le module. 5. Ouvrir progressivement le robinet. Que peut-on observer? La roue à aubes tourne et la DEL s allume.

8 Document du professeur 8/10 6. Compléter le texte ci-dessous en choisissant la bonne réponse parmi les deux proposées. L énergie mécanique / thermique de l eau entraîne la roue à aubes qui joue le rôle d une turbine. Elle fait alors tourner l axe de l alternateur. À la sortie de l alternateur, l énergie thermique / électrique produite permet d allumer la DEL. RANGER LE MATERIEL ACTIVITÉ 3 bis : Décrire le fonctionnement d une centrale éolienne A) Fonctionnement de l alternateur Vous disposez d un support, d un alternateur, d une manivelle, de deux fils de connexion et d une DEL (diode électroluminescente). Fixer l alternateur sur le support et le relier à la DEL à l aide des deux fils de connexion. 1. Rappeler quels sont les deux éléments principaux qui constituent un alternateur (ACTIVITE 1). Un alternateur est constitué d une bobine et d un aimant. 2. Fixer la manivelle sur l axe de l alternateur. 3. Faire tourner la manivelle. Qu observez-vous? La DEL s allume. 4. Compléter. Lorsqu on fait tourner l aimant d un alternateur devant une bobine, cela crée une tension électrique entre les extrémités de celle-ci, ce qui permet d allumer la DEL. B) Fonctionnement de la centrale éolienne Vous disposez, en plus de l alternateur, d un module «éolienne» et soit d une soufflerie soit d un sèche-cheveux. 1. Enlever délicatement la manivelle de l alternateur (tenir la manivelle d une main et l alternateur de l autre main). 2. Fixer le module «éolienne» sur l axe de l alternateur. 3. Exposer le module au vent ou à défaut au souffle d une soufflerie ou d un sèche-cheveux maintenu à distance (attention : le module éolienne est en matière plastique!)

9 Document du professeur 9/10 Qu observez-vous? Les pales de l éolienne tournent et la DEL s allume. 4. Compléter le texte ci-dessous en choisissant la bonne réponse parmi les deux proposées. L énergie mécanique / thermique de l air entraîne la les pales de l éolienne qui fait tourner l axe de l alternateur. À la sortie de l alternateur, l énergie thermique / électrique produite permet d allumer la DEL. RANGER LE MATERIEL ACTIVITÉ 4 : Décrire le fonctionnement de quelques centrales électriques 1. Compléter le texte ci-dessous, qui résume le fonctionnement d une centrale électrique, à l aide des mots suivants : hydroélectrique / turbine / bobine / thermique / air / alternateur / mécanique / alternative / électroaimant Dans une centrale électrique, un fluide possédant de l énergie mécanique fait tourner une turbine. Ce fluide est l eau dans une centrale hydroélectrique, l air dans une centrale éolienne et la vapeur d eau dans une centrale thermique. Dans son mouvement de rotation, la turbine entraîne l électroaimant de l alternateur, ce qui crée une tension alternative entre les extrémités de la bobine dans laquelle tourne cet électroaimant. 2. Compléter le schéma ci-dessous qui résume les conversions d énergie dans les différentes centrales* (utiliser les mots : mécanique, thermique ou électrique). * Lors des conversions en énergie mécanique ou électrique, une partie de l énergie est toujours perdue sous forme d énergie thermique. mécanique Centrale hydroélectrique TURBINE thermique mécanique Centrale thermique Centrale éolienne mécanique + thermique perdue ALTERNATEUR électrique + thermique perdue

10 Document du professeur 10/10 3. Parmi les centrales évoquées ci-dessus, indiquer celle(s) qui utilise(nt) une source d énergie renouvelable et celle(s) qui utilise(nt) une source d énergie non renouvelable. Justifier votre choix. Les centrales hydroélectriques et éoliennes utilisent des sources d énergie renouvelables car : - L énergie de l eau retenue par un barrage se reconstitue constamment grâce au cycle de l eau ; - L énergie éolienne se régénère également car il existe en permanence des périodes de vents suffisamment forts pour faire tourner les pales des éoliennes. Les centrales thermiques utilisent des sources d énergie fossiles (fuel, gaz naturel, charbon) qui s épuisent lors de leur utilisation : ces sources ne sont donc non renouvelables. Remarque : Dans les centrales thermiques nucléaires, on réalise la fission de noyaux d atomes : l uranium utilisé s épuise peu à peu. Il s agit donc aussi d une source d énergie non renouvelable. Dans une centrale électrique, une énergie initiale mécanique ou thermique est convertie en énergie électrique utilisable et en énergie thermique perdue. Les centrales hydroélectriques et éoliennes utilisent des sources d énergie renouvelables. Les centrales thermiques et nucléaires consomment des sources d énergie non renouvelables.