L'énergie sous toutes ses formes... Carnet d'expériences

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1 L'énergie sous toutes ses formes... Carnet d'expériences

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3 Ce cahier d'expériences vient en complément aux fiches thématiques et propose une série d'expériences simples, adaptées à un public de niveau primaire et/ou secondaire, à réaliser aussi bien chez soi qu'en classe. Chacune des expériences étant destinée à l'un ou l'autre des publics (ou les deux), un symbole 'P' ou 'S' permet de l'identifier rapidement, sachant que l'appréciation finale revient au lecteur. Pour chacune d'elles, la description du matériel utilisé et des différentes étapes de réalisation est enrichie de nombreuses illustrations qui devraient faciliter leur mise en oeuvre. Toutefois, si des interrogations devaient subsister, n'hésitez pas à prendre contact avec nous, ainsi que pour nous formuler toute remarque ou suggestion. ApplicaSciences, Cellule de Diffusion des Sciences de la FPMs 9, rue de Houdain 7000 Mons Tel : 065/ ou 61 Fax : 065/ J'ai inventé une lampe de poche qui fonctionne à l'énergie solaire. Elle n'a qu'un dernier défaut, elle ne marche qu'en plein soleil. (Gaston Lagaffe)

4 Table des matières Mini-éolienne...5 Eolienne en soufflerie...7 Courant, ça rime avec aimant Courant, ça rime avec aimant... et inversément!...11 Maquette simple d'éolienne Puissance et rendement d'une éolienne Une histoire de vent Expériences avec des cellules solaires La pile au citron...21 Générateur d'hydrogène...22 Action... Réaction!...24 L'air chaud, ça me gonfle Isoler pour la planète...28 Du biogaz «maison»...30

5 Mini éolienne Objectif Fabriquer une mini éolienne pour produire de l'électricité. 1 Tracez les diagonales du carré et découpez les jusqu'à la moitié environ. 2 Matériel 1 bouchon en liège 1 dynamo de vélo 1 feuille de papier cartonné (20 x 20 cm) 1 diode du fil électrique (20 cm) 1 agrafeuse 1 morceau de tuyau (5 cm) 1 ventilateur papier collant, ciseaux, crayon, latte Pour faire l'hélice, ramenez une pointe sur deux vers le centre du carré et fixez avec du papier collant. 3 Agrafez le côté le plus large du bouchon au dos de l'hélice, au centre. Demandez l'aide d'un adulte pour l'utilisation de l'agrafeuse et pour dénuder les fils. ApplicaSciences Faculté Polytechnique de Mons 5

6 4 Insérez la molette de la dynamo dans une extrémité du tuyau. Pour mettre en forme le tuyau, il faudra peut être le chauffer un peu en le frottant ou en le trempant dans de l'eau chaude Enfoncez le bouchon avec l'hélice dans l'autre extrémité du tuyau. Coupez le fil en deux et dénudez les bouts. Branchez les fils aux bornes de la dynamo et reliez la diode. Votre éolienne est prête! Pour la tester, placez la devant un ventilateur. ApplicaSciences Faculté Polytechnique de Mons 6

7 Eolienne en soufflerie Objectif La forme des pales d'une éolienne n'est pas choisie au hasard. Réalisez un mini banc d'essai pour comprendre ce qui la caractérise. 1 3 Pliez la première feuille en un tube anguleux présentant 4 angles droits. 2 Pliez la seconde feuille en forme de «goutte» en veillant à garder un angle arrondi. Tenez les verticalement face au sèche cheveux et testez leur comportement. Quelle surface offre le moins de résistance à l air (et donc entraine moins de turbulences)? Matériel 2 feuilles A4 de papier cartonné du papier collant de la colle du fil léger un sèche cheveux Dessinez comment vous pensez que l'air s'écoule autour de chacune des formes : ApplicaSciences Faculté Polytechnique de Mons 7

8 4 Si le sèche cheveux ne fait pas face à la surface mais présente un certain angle, le pliage (en goutte) va être entrainé par l'air. On peut améliorer sa forme pour que cet entrainement soit optimal : pliez légèrement le centre d'une des faces de manière à l'aplanir et testez cette nouvelle aile face au ventilateur, pour visualiser l'écoulement de l'air, on peut coller un morceau de fil léger sur son nez. C'est cette forme qui est à l'origine de la portance, qui soulève l'avion vers le haut ou met en mouvement les pales de l'éolienne. Pour comprendre, il faut appliquer l'équation de Bernouilli : quand la vitesse augmente, la pression doit diminuer. Illustrez ces 2 paramètres sur la figure et expliquez le phénomène qui se produit AILE AIR... L'ingrédient manquant Les pales, entrainées par le vent, ne tournent pas suffisamment vite pour entrainer la génératrice et produire du courant. La solution consiste à installer un multiplicateur, qui permet de transformer la puissance à vitesse lente produite par le rotor de l'éolienne en une puissance à grande vitesse utilisée par la génératrice. ApplicaSciences Faculté Polytechnique de Mons 8

9 Objectif Courant, ça rime avec aimant... L'électricité peut se transformer en magnétisme, c'est le phénomène d'induction électromagnétique. Vérifiez que la présence d'électricité dans un circuit génère un champ magnétique en réalisant un électroaimant. 1 Réalisez d'abord un électroaimant avec un crayon : dénudez le fil à ses extrémités enroulez le en boucles (comptez les!) autour du crayon, toujours dans le même sens reliez les parties dénudées du fil aux bornes de la pile de 1.5V testez l'électroaimant en l'approchant d'une boussole vérifiez son efficacité en notant le nombre de trombones ou d'agrafes qu'il peut attirer :... 2 Matériel des piles (tensions de 1.5, 4.5 ou 9V) un crayon un gros clou en fer des agrafes et trombones du fil électrique (150 cm) une petite boussole Répétez le montage en utilisant cette fois un clou. Le nombre d'éléments attirés a t il varié? Quelle conclusion en tirer? Lors de ces manipulations, la pile à tendance à chauffer. Pour éviter une surchauffe et allonger sa durée de vie, ne connectez les circuits que pendant la durée des tests. ApplicaSciences Faculté Polytechnique de Mons 9

10 3 Réalisez maintenant un autre électroaimant avec un clou comme noyau, mais en doublant le nombre de boucles (ou spires). Cela change t il quelque chose? Avec le même électroaimant, faites maintenant des tests avec différentes piles. La tension de la pile a t elle de l'importance? D'après vous, quel est le lien avec le fonctionnement d'une éolienne ou d'une centrale hydroélectrique? ApplicaSciences Faculté Polytechnique de Mons 1 0

11 Courant, ça rime avec aimant... et inversément! Objectif Inversément, le magnétisme peut engendre de l'électricité. Vérifiez que faire tourner une bobine et un champ magnétique l'un par rapport à l'autre permet de produire du courant. 1 2 Matériel Pliez le carton de manière à former une boite sans fond ni couvercle et collez l'ensemble avec du papier collant. Percez un trou au centre des deux grandes faces et insérez y le clou. A l'aide du clou, élargissez légèrement chacun des trous de manière à ce qu'il puisse tourner librement. 4 aimants en céramique 1 bobine de fil de cuivre (diam mm) 1 gros clou en fer (8 cm ou plus) 1 morceau de carton (8 cm x 30 cm) du papier collant 1 cutter 1 diode (LED) 3 Placez les aimants sur le clou pour vérifier qu'ils ne se cognent pas au bords de la boite, sinon agrandissez la légèrement. ApplicaSciences Faculté Polytechnique de Mons 11

12 4 Collez une extrémité du fil d'un côté de la boite et enroulez toute la bobine autour de la boite. Couvrez également le trou prévu pour le clou et veillez à entourer principalement le centre de la boite. 5 Laissez également dépasser (10 cm) l'autre extrémité et consolidez avec du papier collant. Ecartez doucement le fil pour faire passer le clou et assurez vous qu'il tourne toujours librement. Dénudez les deux extrémités du fil. 6 Assemblez les aimants en 2 paires et placez les de part et d'autre du clou. Branchez la diode pour fermer le circuit et testez votre génératrice! A présent, comprenez vous le lien avec le fonctionnement d'une éolienne ou d'une centrale hydroélectrique? Pour bien fonctionner, la rotation des aimants doit être vraiment rapide et ne rencontrer aucun obstacle qui pourrait les ralentir. ApplicaSciences Faculté Polytechnique de Mons 1 2

13 Objectif Maquette simple d'éolienne Construisez une maquette simplifiée d'éolienne avec des pales aérodynamiques. 1 Imprimez 3x la page suivante sur le papier cartonné et découpez selon les lignes continues Collez le pic à brochette le long de la ligne pointillée, comme indiqué sur la figure. Pliez chacune des parties selon les pointillés, en forme d'aile d'avion, et fixez avec du papier collant. Assemblez les différentes pales dans le bouchon et renforcez avec de la colle. Enfoncez le dernier pic dans le bouchon pour réaliser l'axe de rotation. Matériel 3 feuilles A4 de papier cartonné une paire de ciseaux de la colle forte du papier collant un bouchon de liège 7 pics à brochette (environ 20 cm) une bouteille d'eau (1.5l) 5 Percez deux trous de part et d'autre du sommet de la bouteille pour y insérer l'hélice. Remplissez la bouteille d'eau (ou de sable) pour la stabiliser. Votre éolienne est prête à être testée! ApplicaSciences Faculté Polytechnique de Mons 1 3

14 A imprimer sur du papier cartonné format A4.

15 Puissance et rendement d'une éolienne Objectif Déterminez le rendement d'une éolienne en effectuant le rapport de la puissance utile restituée sur la puissance absorbée par le rotor. 1 Puissance absorbée par une éolienne A l'aide de l'anémomètre placé à environ 20 cm du ventilateur, mesurez la vitesse de l'air en km/h et transformez la en m/s : 2 v =... km/h =... m/s Déduisez en la pression exercée par le ventilateur. Elle est donnée par : Pdyn = ½ ρ v² = où ρ est la masse volumique de l'air (~ 1.2 kg/m² à 20 C). Matériel une maquette d'éolienne un ventilateur un anémomètre une bouteille d'eau en plastique (50 cl) une ficelle un mètre un chronomètre 4 Mesurez le rayon r de l'hélice de l'éolienne (en m) pour calculer la section Sh du flux d'air intercepté : Sh = π r² = Déduisez en le débit Q du flux d'air généré par le ventilateur : Q = v Sh = La puissance libérée par le flux d'air et absorbée par l'éolienne est : Pa = Pdyn Q = ApplicaSciences Faculté Polytechnique de Mons 1 5

16 1 Puissance d'un rotor Remplissez la bouteille d'un peu d'eau et déterminez sa masse : 3 2 m =... kg Accrochez le poids à la ficelle et suspendez le tout à l'axe du rotor. Déterminez et mesurez une distance entre 2 points de repère verticaux : 4 h =... m Trouvez l'énergie potentielle qui sera transférée au poids par l'éolienne : E = m g h = où g = 9.81 m/s² est l'accélération de la pesanteur. Actionnez le ventilateur et chronométrez le temps mis par le poids pour monter la distance h : t =... s La puissance utile de l'éolienne est : Le rendement de l'éolienne est donné par : Pu = E / t = R = Pu / Pa =... (< 1) ApplicaSciences Faculté Polytechnique de Mons 1 6

17 Une histoire de vent... Objectif Le vent prend naissance grâce au soleil, qui réchauffe inégalement l'air à la surface de la Terre. Observez comment une différence de température met en mouvement des masses d'air. 1 Recouvrez les faces arrières de l'aquarium de papier noir pour éviter les réflexions de lumière. 2 3 Placez les pains de congélation sur la tranche d'un côté de l'aquarium et le spot de l'autre. Disposez un bâton d'encens au milieu de l'aquarium et recouvrez le avec la vitre en laissant un espace côté spot. Matériel 1 aquarium ou grand récipient transparent 1 spot (source de chaleur) 2 ou 3 pains de congélation 3 ou 4 feuilles de papier noir 1 bâtonnet d'encens et de quoi l'allumer 1 vitre pour recouvrir l'aquarium ApplicaSciences Faculté Polytechnique de Mons 1 7

18 Cette carte présente une moyenne annuelle de la vitesse des vents soufflant sur la Belgique. Bien qu'elle donne des indications précieuses, elle ne suffit pas à déterminer un emplacement idéal en terme de vent. Pourquoi? Selon vous, de quels autres facteurs faut il tenir compte pour l'implantation de parcs éoliens dans le paysage? ApplicaSciences Faculté Polytechnique de Mons 1 8

19 Objectif Expériences avec des cellules solaires Réaliser des expériences simples pour comprendre quels paramètres influencent le fonctionnement d'un panneau solaire. 1 Influence de l'ensoleillement 2 Pour vérifier si l'intensité lumineuse influence la production de courant, éclairez une cellule à l'aide d'une ou deux lampes puis tentez d'apporter plus de lumière à l'aide d'un miroir. Que constatez vous? Faites varier la distance de la source lumineuse à la cellule. Comment évolue le rendement? Connexion en parallèle et en série Matériel 2 cellules solaires 4 fils électriques avec pince crocodile 2 lampes à incandescence (60 80W) 1 miroir 1 mètre 1 multimètre des feuilles transparentes de couleur (jaune, vert, rouge, brun) 1 feuille noire 3 Connectez deux cellules, d'abord en parallèle puis en série, et mesurez à chaque fois tension et courant. en parallèle : tension =... V en série : tension =... V courant =... A courant =... A La surface des cellules est fragile, manipulez les avec soin. ApplicaSciences Faculté Polytechnique de Mons 1 9

20 4 Inclinaison, ombres et nuages Vérifiez l'importance de l'angle d'irradiation sur le rendement d'une cellule en plaçant la source lumineuse à un angle de 0, 45 et 90 : 90 : tension =... V courant =... A 45 : tension =... V courant =... A 0 : tension =... V courant =... A 5 6 Déterminez la réduction du rendement des cellules par obscurcissement : 0 % : tension =... V courant =... A 25 % : tension =... V courant =... A 50 % : tension =... V courant =... A 75 % : tension =... V courant =... A Que se passe t il lorsqu'on obscurcit complètement une cellule faisant partie d'un montage en série?... Les nuages absorbent certains éléments du spectre solaire. Placez différents filtres de lumière et observez l'impact sur le rendement : couleur... : tension =... V courant =... A couleur... : tension =... V courant =... A couleur... : tension =... V courant =... A ApplicaSciences Faculté Polytechnique de Mons 20

21 La pile au citron Objectif Produire du courant avec des citrons pour allumer une calculatrice. 1 Poncez avec du papier de verre les lamelles de cuivre et de zinc. 2 Ecrasez un peu les citrons dans vos mains et plantez dans chacun une lamelle en cuivre et une en zinc, sans qu'elles se touchent. 4 Matériel 4 citrons 4 lamelles en cuivre 4 lamelles en zinc du fil électrique 1 calculatrice (à pile bouton) 1 feuille de papier de verre papier collant, ciseaux, cutter 3 Coupez 5 morceaux de fil électrique et dénudez les extrémités. (demandez l'aide d'un adulte) Reliez sucessivement une lamelle de cuivre d'un citron à la lamelle de zinc d'un voisin. 5 Ne reliez pas les dernières lamelles de cuivre et zinc entre elles mais branchez les deux derniers fils à la calculatrice. Le pôle négatif est la lamelle de zinc : elle doit être reliée à la borne ( ) de la calculatrice. Le pôle positif est la lamelle de cuivre : elle doit être reliée à la borne (+). Si les citrons donnent «assez de jus», allumez la calculatrice et testez la avec un petit calcul! ApplicaSciences Faculté Polytechnique de Mons 21

22 Générateur d'hydrogène Objectif Fabriquer un petit dispositif qui génère de l'hydrogène à partir d'eau. 1 Ajoutez progressivement du sel dans l'eau en mélangeant. 2 3 Matériel Dénudez les fils à leurs extrémités et accrochez en un à chacun des crayons. Placez un des crayons dans le tuyau, en laissant dépasser le fil électrique. 1 pile de 9 V 1 récipient d'eau du sel 2 crayons n 2 ou 2 clous 2 fils électriques 1 morceau de tuyau transparent 1 ballon de baudruche 4 Enfilez le ballon à l'autre extrémité du tuyau, il servira à récupérer l'hydrogène produit par l'électrolyse. ApplicaSciences Faculté Polytechnique de Mons 22

23 5 6 Immergez les deux crayons dans l'eau en laissant sortir les fils électriques du récipient. Branchez le crayon équipé du récupérateur sur le pôle ( ) de la pile. Branchez le second crayon sur l'autre pôle (+). Après quelques secondes, la réaction commence. Décrivez ce que vous observez : Quand plus rien ne se passe, pensez à rajouter du sel pour booster la réaction... ApplicaSciences Faculté Polytechnique de Mons 23

24 Action... Réaction! Objectif Fabriquer un petit véhicule et le propulser avec l'air d'un ballon. 1 Coupez le(s) bouchon(s) en 4 parties : ce sont les roues. 2 Matériel 1 ballon de baudruche 1 élastique 1 morceau de carton (15 x 20 cm) 1 pic à brochette (25 cm) 1 ou 2 bouchons de liège 1 feuille A4 1 bic ou stylo à bille du papier collant de la colle forte des ciseaux Coupez le pic à brochette en 2 et percez des trous dans les morceaux de bouchon. 3 Découpez la feuille en 3 et roulez deux des morceaux selon leur longueur, puis fixez avec du papier collant. Demandez à un adulte de découper le bouchon. ApplicaSciences Faculté Polytechnique de Mons 24

25 4 Pliez le carton en 2, fixez le avec du papier collant et collez y les deux tubes en papier. 5 6 Enfilez les baguettes en bois dans les tubes et fixez un morceau de bouchon de chaque côté des tiges. Reliez le ballon au corps du stylo grâce à un élastique (avec un filet de colle pour boucher les trous d'air) et fixez le tout au véhicule. Gonflez le ballon puis laissez l'air s'expulser : la masse d'air éjectée va propulser la voiture! ApplicaSciences Faculté Polytechnique de Mons 25

26 L'air chaud, ça me gonfle... Objectif Observer l'influence de la température sur le volume occupé par l'air. 1 Placez la bouteille vide et la ballon dans un réfrigérateur pendant 5 minutes. 2 3 Matériel Faites chauffer de l'eau (sans la faire bouillir) et remplissez un récipient. Remplissez l'autre récipient d'eau froide et placez y des glaçons. 1 bouteille d'eau en plastique (1l) 1 ballon de baudruche 1 bouilloire électrique 2 saladiers (ou d'autres récipients) des glaçons (ou équivalent) 4 Enfilez le ballon, vidé de son air, sur le goulot de la bouteille. ApplicaSciences Faculté Polytechnique de Mons 26

27 5 Immergez la bouteille dans l'eau chaude. Qu'observez vous? Placez ensuite la bouteille dans l'eau glacée. Que se passe t il maintenant? Cette expansion et contraction peuvent être converties en travail utilisable. D'après vous, quel engin fait appel à un phénomène semblable pour se déplacer? ApplicaSciences Faculté Polytechnique de Mons 27

28 Isoler pour la planète Objectif Démontrer l'importance d'une bonne isolation thermique sur les performances énergétiques d'un bâtiment et visualiser des images de thermographie infrarouge. 1 Isolation et température Des blocs de glace ont été placés au même moment dans des boîtes de même forme mais présentant 3 niveaux d'isolation différents : 1 ) boîte en mdf (matériau compact à base de bois) seul 2 ) boîte en mdf + 3 cm d'isolant en polystyrène 3 ) boîte en mdf + 9 cm d'isolant en polystyrène 2 Mesurez la température à l'intérieur des boîtes après environ 3 heures et comparez la à la température ambiante (T =... C). Vérifiez également l'état des glaçons. Comment expliquer cette différence? Boîte n Température ( C) Matériel 3 boîtes de mdf différentes épaisseurs d'isolant des blocs de glace de 2 kg 3 thermomètres Comment pourrait on mesurer la température d'une paroi sans la toucher? ApplicaSciences Faculté Polytechnique de Mons 28

29 La thermographie infrarouge, ou comment «voir» les températures Vu le prix élevé du matériel, nous en illustrons simplement ici le principe. Tout corps, à une température supérieure au «zéro absolu», émet de l'énergie par rayonnement. Sentir la chaleur du soleil sur notre peau en est un bon exemple. Ce rayonnement peut être visible à l'oeil nu si l'objet est extrêmement chaud. Lorsque l'objet est moins chaud, son rayonnement change de nature et devient invisible pour l'oeil humain : il passe dans le domaine de l'infrarouge. Une caméra de thermographie est équipée de détecteurs sensibles aux infrarouges. Comme la quantité de chaleur émise par un corps est directement liée à sa température, on peut estimer parmi différents objets lequel est le plus chaud, sans devoir le toucher! L'ordinateur couplé à la caméra traduit sous forme de couleurs les différents niveaux d'intensité provenant des objets visés par la caméra. Cette échelle de couleur correspond à une échelle de températures, ce qui permet de déterminer leur température. C'est particulièrement utile pour vérifier le niveau d'isolation d'une habitation! Sur la photo, devinez laquelle est bien isolée... ApplicaSciences Faculté Polytechnique de Mons 29

30 Du biogaz «maison» Objectif Récupérer du gaz à partir de déchets ménagers destinés au compost. 1 3 A l'aide du clou, percez un trou dans le bouchon pour y passer le tuyau. 2 Remplissez la bouteille de déchets organiques puis refermez la. 4 Matériel épluchures, trognons,... 1 bouteille d'eau (5l) de la colle forte 1 morceau de tuyau 1 ballon de baudruche 1 marteau et 1 clou Déposez de la colle tout autour du tuyau pour que son passage soit bien hermétique. Enfilez le ballon à l'extrémité du tuyau, il servira à récupérer le biogaz produit. 5 Placez le dispositif près d'une source de chaleur (un radiateur ou au soleil) et attendez une semaine ou plus. ApplicaSciences Faculté Polytechnique de Mons 30

31 Biblio et webographie «100 expériences scientifiques», Usborne, 2006 «Solar Energy Science Project», Energy Quest, California Energy Comission, 2009 «Wind power, renewable energy science kit», Thames & Kosmos, toys.com buissonnieres.org Crédit photos Si les crédits ne sont pas mentionnés sur l'image, elles sont soit propres à l'auteur, soit libres de droit ou sous licence ApplicaSciences Faculté Polytechnique de Mons 31

32 Carnet réalisé par Jonathan Toubeau, ApplicaSciences* ( dans le cadre de l'exposition " Energies alternatives en Wallonie " (2009) de l'espace Terre et Matériaux de la Faculté Polytechnique de Mons * ApplicaSciences bénéficie du soutien de la Région Wallonne