Fiche-Démonstration Bouger des aimants pour faire de l électricité! (principe : alternateur)

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1 N Fiche-Démonstration Bouger des aimants pour faire de l électricité! (principe : alternateur) Ateliers : magnétisme et électricité A. Objectifs des ateliers-démonstrations : Comprendre le principe de l alternateur (courant alternatif) ou de la dynamo (courant continu) qui repose sur le lien entre le magnétisme et l électricité. Comprendre les aimants ; leur action à distance sur d autres aimants, sur des objets et leur capacité à induire du courant dans un fil enroulé lorsqu ils sont en mouvement à proximité. De là, il n y a qu un pas pour comprendre que si l on attache des aimants à un axe mis en mouvement par l énergie de l eau en mouvement (barrage), du vent (éolienne) ou de la vapeur (centrale thermique), il est possible de produire un déplacement des électrons (courant) dans un fil, de produire de l électricité. Comprendre les idées importantes décrites à la section B pour chacun des ateliers : Approche : Pour chacun de ces ateliers, invitez les élèves à expérimenter librement puis à partager leurs types d essais et ce qu ils observent du comportement du matériel mis à leur disposition. Par exemple, faire ressentir les forces (attraction/répulsion) entre deux aimants ou un aimant et un autre objet. Faites une liste des observations au tableau. Laisser du temps pour expérimenter à nouveau. Faites préciser les observations déjà notées Enfin, trouver en groupe les mots pour décrire les effets observés et introduire un vocabulaire juste pour en parler : attirent, repoussent, les pôles nord et sud, etc. Quelques exemples de questions qui peuvent orienter la démarche : Quelles expérimentations ou quels essais as-tu réalisés? Comment décrirais-tu à un ami ce que tu observes du comportement du matériel? (Observer, décrire) À la toute fin de chacun des ateliers, on peut faire dessiner et prendre des notes sur les dessins. Compétences : observation, questionnement, expérimentation et communication : partager ses observations en utilisant un vocabulaire juste. B. Ateliers-démonstrations 1. Animation d introduction au fonctionnement d un barrage! En guise d introduction, lancer l animation du fonctionnement d un barrage du site de La Fondation La Main à la Pâte et laisser les enfants décrire ce qu ils en comprennent, avant d introduire les ateliers qu ils vont faire pour comprendre le principe de fonctionnement d un alternateur. Selon la quantité de matériel disponible, il peut être approprié d installer les différents ateliers dans la classe et de planifier la rotation des équipes. 2. Atelier : Des aimants qui s attirent et se repoussent à distance! Préparation : (en grand groupe) Distribuer à chaque enfant une paire d aimants dont les pôles sont identifiés. Défi : Demander aux enfants d effectuer des expérimentations avec leurs aimants, afin qu ils puissent décrire à un ami le comportement des aimants. Partager en grand groupe au tableau les expérimentations effectuées et

2 chacun des comportements observés en demandant de préciser les conditions où ceux-ci se produisent, et en précisant le vocabulaire utilisé au besoin. Alterner entre périodes de partage et d expérimentation pour préciser les idées. Laisser du temps aux élèves pour effectuer les expériences qu ils n auraient pas eu le temps de faire. Il est important pour les enfants : de ressentir la force d attraction et de répulsion des aimants. Dans ce dernier cas, les enfants auront l impression qu il y a une «balle de caoutchouc invisible» qui les empêche d approcher un aimant de l autre. D observer et de prendre conscience de l influence à distance d un aimant sur un autre aimant ou sur des objets, et ce même s ils sont séparés par un objet mince ; l épaisseur d une table par exemple. Il est intrigant de voir que des objets peuvent être mis en mouvement sans être touchés (influence à distance). C est contraire aux expériences que nous avons quotidiennement. Pour faire bouger un objet, il faut habituellement y toucher, le pousser, le tirer, exercer une force dessus pour le mettre en mouvement! Les pôles identiques de deux aimants se repoussent et des pôles opposés s attirent, et ce, même à distance. Les forces sont plus fortes lorsque les objets sont près les uns des autres. Notes : Les enfants savent et s attendent à ce que les aimants s attirent ; ils disent que «ça fonctionne». Or, peu d entre eux s attendent au comportement inverse de répulsion et l expriment en disant que «ça ne fonctionne pas». C est un nouveau comportement de la matière pour eux. Effectivement, quelques expériences avec des aimants pour faire ternir des objets sur les réfrigérateurs confirment ce qu en disent les enfants : il est difficile de sentir la force de répulsion! Corriger le vocabulaire en mentionnant que les aimants s attirent ou se repoussent Atelier : Quels types d objets sont attirés par les aimants? Préparation : (en grand groupe) Matériel : clous, contenu de leur étui à crayons, objets dans la classe. Défi : Demander aux enfants d effectuer des expérimentations avec un aimant, pour savoir : o Quels types d objets sont attirés par leur aimant? o Qu y a-t-il de particulier avec la série de clous? Ce qui détermine qu un objet soit attiré ou non par un aimant dépend de la matière dont est fait l objet. Au contact d un aimant, les clous se magnétisent et peuvent eux-mêmes attirer d autres clous! Les enfants diront que les objets fabriqués «en métal» sont attirés par les aimants. En fait, le matériau de ces objets doit contenir au moins un peu de fer 1. Par contre, les objets en aluminium ou en bronze ne sont pas attirés par les aimants. 1 De fer, mais aussi de nickel et de cobalt.

3 3 4. Atelier : Le «champ magnétique» autour des aimants. Préparation : (voir la section Matériel) Table à limaille de fer Les aimants doivent être utilisés sous la table pour éviter d égratigner la surface d acrylique. Essayer d abord avec un aimant. Si le temps le permet, faites des essais avec deux aimants séparés d une certaine distance. Défi : Demander aux enfants d effectuer leurs observations et leurs expérimentations, afin de pouvoir expliquer à quelqu un ce qui se produit. Les petites particules de limaille de fer se magnétisent successivement à la manière des clous et s alignent selon les lignes de champs magnétiques. C est d ailleurs en raison de la ressemblance de ces lignes avec les rangs d un champ récemment semé que le mot «champ» a été utilisé pour désigner qu il y a quelque chose d invisible dans la région entourant un aimant. On dit qu autour des aimants, il y a un «champ magnétique» qui explique les comportements de répulsion et d attraction à distance. La force du champ magnétique dépend de la distance. Près des aimants, le champ est fort, les lignes sont près les unes des autres, et plus loin de l aimant, le champ est plus faible, les lignes sont plus distantes. Note : Cet atelier fascine les élèves! À ressortir lors de périodes libres ou de récréations à l intérieur. Extra : Effectuer une recherche sur la «magnétite», un aimant naturel [géologie] et la «Magnésie». [Histoire/géographie] 5. Atelier : Des aimants en mouvement pour mettre des électrons en mouvement (électricité)! Préparation : (voir la section Matériel) Petits montages tels qu illustrés ci-contre. Bâton avec 2 aimants cylindriques à son extrémité Cadran affichant le courant électrique circulant dans le fil. Défi Demander aux enfants d effectuer leurs observations et leurs expérimentations, afin de pouvoir tenter une explication sur ce qui se produit. Partager sur ce qui se produit et dans quelles circonstances : vitesse, etc. C est dans le lien entre le magnétisme et l électricité que l on peut montrer le principe d un alternateur. En déplaçant les aimants à l intérieur de l enroulement de fil, la grandeur du «champ magnétique» varie et induit le déplacement des électrons dans le fil, ce que l on appelle l électricité. On mesure ce «courant» d électrons avec une unité de mesure que l on appelle «ampère». Le petit cadran indique le courant d électrons qui circulent dans le fil. Ce courant change de direction en fonction du mouvement de l aimant. On voit que l aiguille tend parfois à descendre sous zéro. Bref : Mettre des aimants en mouvement dans un enroulement de fil permet de mettre des électrons en mouvement dans le fil. C est l électricité!

4 Il n y a qu un pas pour comprendre que si l on attache des aimants à un axe mis en mouvement par l énergie de l eau en mouvement (barrage), du vent (éolienne) ou de la vapeur (centrale thermique), il est possible de produire de l électricité. C est le principe de l alternateur (courant alternatif) ou de la dynamo (courant continu). Dans une centrale, tout est immense et bien optimisé pour rendre le tout le plus efficace possible. Cela apparaîtra un peu plus compliqué qu ici. Note : Il peut être approprié de revoir l animation du site de La Fondation La Main à la pâte Atelier : Des électrons en mouvement (électricité) pour produire un «champ magnétique» sans aimant! (Principe d un électroaimant) Préparation : (voir la section Matériel) Petits montages tels qu illustrés ci-contre. Batterie, petite boussole, section de fil enroulé autour de la boussole. Les contacts des extrémités dénudées du fil avec les pôles de la batterie doivent être brefs. C est une situation de «courtcircuit», où il y a peu de résistance dans le fil. La batterie peut se décharger. Défi Demander aux enfants d effectuer leurs observations et leurs expérimentations, afin de pouvoir tenter une explication sur ce qui se produit. Partager sur ce qui se produit et dans quelles circonstances : orientation de l aiguille, etc. En établissant un contact entre les extrémités dénudées du fil et les pôles de la batterie, les électrons se mettent à circuler dans le fil. C est dommage ; on ne voit rien. 2 L électricité qui passe dans le fil induit un «champ magnétique» à l intérieur de la boucle de fil où est positionnée la petite boussole. L aiguille de la boussole s agite alors rapidement. En fait, l aiguille d une boussole est sensible au «champ magnétique» et elle permet d en détecter la présence. Elle a aussi deux pôles : nord et sud. Ainsi, lorsque la batterie est branchée, l aiguille s agite rapidement selon son orientation initiale et selon que chacune de ses extrémités soit attirée ou repoussée. Bref, les électrons en mouvement (électricité) produisent un «champ magnétique» sans que l on ait besoin d aimant. C est le principe de l électroaimant. Extra : Faites une recherche sur Hans Christian Orsted pour découvrir un peu la vie de ce personnage qui a permis, par ses expériences, de mettre en évidence le lien entre le magnétisme et l électricité. 2 Dans une version ultérieure, il y aura peut-être ajout d un ampèremètre comme dans les montages précédents.

5 5 7. Matériel Atelier (section B-2) Le choix des aimants! Choisir des aimants permanents juste suffisamment forts (ex. alnico ou terres rares), de bonne dimension (7-8 cm), et dont les pôles sont identifiés soit par des couleurs différentes, soit par les étiquettes «nord» et «sud». Le coût peut sembler important (environ 8 $ par paire), mais cela vaut la peine et les aimants dureront indéfiniment. Ceux montrés sur la photo sont recouverts de plastique pour éviter l effritement lors de chocs. Quelques commentaires sur quelques types d aimants a. Fortement recommandé. Environ 7-8 cm de long. b. Aimants forts disponibles en quincaillerie. Ils sont recouverts d une gaine thermorétractable transparente, cela permet d éviter l effritement et de se faire pincer les doigts. Ils sont trop forts pour des tout-petits. Les pôles sont orientés perpendiculairement aux faces les plus grandes. Très bon choix pour utiliser sous la table à limaille de fer. g. b. c. e. d. h. N a. S f. f. c. Aimants de bonne force. Ils permettent de bien percevoir l attraction et la répulsion. Nous avons tenté de les peindre pour éviter l effritement lors de chocs, mais ce n est pas l idéal. d. Aimant en fer à cheval. Ici trop petit. Les pôles sont aux extrémités. Les manipulations pour distinguer l attraction et la répulsion sont moins évidentes. Dans le cas d aimants non permanents, il faut mettre une petite barre métallique pour maintenir le magnétisme. e. Aimants identiques à ceux en b, mais de format différent. Ce sont des aimants de ce type qui ont été fixés à l extrémité du bâton de l atelier à la section 5. Disponibles en quincaillerie. f. Très petits aimants, d environ 2,5 cm. Peu fort : on perçoit à peine la répulsion. Non recommandé. g. Deux barres métalliques qui ont été magnétisées, donc qui ne sont pas des aimants permanents. Leur force des aimants diminue avec le temps s ils ne sont pas magnétisés périodiquement. Non recommandé. h. Aimant de disque dur. Ils sont trop fort (terres rares) pour les enfants et il y a un grand risque de se pincer les doigts. Idéal pour faire tenir quelque chose sur une surface de métal. La polarisation est telle qu indiquée sur l image. Finalement, il faut également éviter les aimants minces qui permettent de maintenir des feuilles sur le réfrigérateur, car ceux-ci ne permettent pas de percevoir la répulsion entre aimants. Note : En tout temps, il faut éviter d approcher des aimants de tous supports magnétiques de données (disques durs), sensibles aux «champs magnétiques».

6 6 Atelier (section B-3) Les aimants recommandés à la section précédente. Une poignée de clous ou de trombones. Atelier (section B-4) La table à limaille de fer La table à limaille de fer a été fabriquée à partir d un cabaret à déjeuner acheté à bon prix dans un marché aux puces (1-5 $). Les supports latéraux peuvent être déployés pour permettre un accès sous le plateau pour y déplacer les aimants, ou encore, ils peuvent être repliés pour permettre le rangement dans une armoire. Fabrication : Coller le fond du plateau au cadre pour éviter que la limaille s y infiltre. Préparer 2 petits cylindres de bois dont la longueur est égale à la hauteur intérieure du cadre. Ils serviront à soutenir le panneau d acrylique au cas où les enfants s y appuieraient. Coller ces pièces au fond du plateau. Découper un panneau d acrylique de la dimension extérieure du cadre. L acrylique peut être découpé avec un outil qui ressemble à un X-Acto. Il faut effectuer plusieurs passages. Sabler les côtés après la coupe. Pré-percer le morceau d acrylique et le cadre simultanément pour un alignement parfait. Verser environ 2/3 de tasse de limaille de fer, sur le fond du plateau. Mettre de la colle au silicone sur le cadre et les petits cylindres au centre. Déposer le panneau d acrylique en alignant les trous. Visser sans trop serrer. La colle au silicone a été choisie parce qu elle demeure élastique une fois sèche. Cela permettrait d ouvrir la table sans abimer la fenêtre d acrylique ou le cadre. Cependant, en raison de sa texture caoutchouteuse, un peu de limaille de fer y adhère à la colle et affecte la qualité esthétique de l œuvre. Il y aurait peut-être un meilleur choix de colle à faire. Comment trouver la limaille de fer? La limaille de fer peut soit être achetée dans les magasins scientifiques, soit recueillie à même le sable en bordure de rivières. (Les rives de certaines rivières en contiennent plus que d autres.) Pour ce faire, mettre un aimant très fort dans un sac de plastique puis frotter le fond du sac sur le sable d une plage. Les particules qui contiennent du fer seront fortement attirées sur les parois du sac. Au-dessus d un contenant, retirer l aimant du sac et la limaille tombera dans le contenant. Répéter jusqu à l obtention de la quantité désirée. Aimants suggérés : Les aimants achetés en quincaillerie sont très forts et peuvent être facilement recouverts d une gaine thermorétractable (matériel d électronique) pour éviter l effritement des aimants lors des chocs et réduire le risque de se faire pincer les doigts lorsque les aimants s attirent trop fortement. À utiliser sous la table pour éviter d égratigner la fenêtre d acrylique. Notes : Vérifier périodiquement que la table ne laisse pas la limaille de fer s échapper. Il ne faut pas qu il y ait ingestion de limaille de fer. Il y a peut-être des pères ou des grands-pères bricoleurs qui pourraient vous donner un coup de main.

7 Atelier (section B-5) Plaquette de bois selon ce que vous trouverez. Sabler pour l esthétique. Un bout de tuyau de plastique dont le diamètre intérieur est à peine plus large que le diamètre des aimants et du bâton (19 mm). Du fil électrique à enrouler de façon serrée et en plusieurs couches autour du tuyau. Pour maintenir l enroulement, nous avons utilisé successivement de la colle chaude (temporaire) et plusieurs couches de vernis. Coller le tuyau sur les montants en bois après l installation du fil. Bâton avec 2 aimants cylindriques collés à une extrémité. Nous avons ajouté une gaine de caoutchouc pour couvrir une partie du bâton et des aimants. Ampèremètre affichant le courant circulant dans le fil. (environ 3 $ chacun) Brancher les deux extrémités du fil à l ampèremètre : dénuder, souder et isoler avec des gaines thermorétractables. 7 Atelier (section B-6) Plaquette de bois selon ce que vous trouverez. Sabler pour l esthétique. 1 petite boussole. Elles se vendent au lot et à bas prix dans les magasins scientifiques. Coller la boussole sur le petit pont en bois. Du fil électrique à enrouler de façon serrée autour du pont et de la boussole. Quelques tours suffisent. Dénuder les extrémités. Pour maintenir l enroulement, nous avons utilisé successivement de la colle chaude et quelques couches de vernis. Ne pas masquer la fenêtre. 1 batterie Un support à batterie. Celui-ci a été acheté dans un magasin scientifique.