GZZZZZZZT! Atelier de découverte de l électricité Cycles 1 et 2

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1 GZZZZZZZT! Atelier de découverte de l électricité Cycles 1 et 2 Fête de la Science Loire Du 9 au 12 octobre 2012 Andrézieux-Bouthéon, Feurs, Firminy, Montbrison, Saint-Chamond et Roanne La Rotonde - CCSTI Saint-Étienne & Loire École Nationale Supérieure des Mines de Saint-Étienne

2 Objectif général Mettre les enfants en situation de questionnement et les initier à la manipulation de petits matériels scientifiques et techniques. Objectifs de l activité faire découvrir aux enfants quelques notions sur l électricité : circuit fermé, circuit ouvert, courant électrique, matière conductrice ou isolante du courant électrique. permettre aux enfants de travailler en équipe, éveiller leur curiosité vis-à-vis des sciences et des techniques. DÉMARCHE : Les équipes essaient de trouver les réponses seules en manipulant le matériel. Si les équipes ne trouvent pas la solution, l animateur donne des indices (photos présentant la solution). L exercice peut sembler difficile pour le cycle 1, mais le but est d initier les enfants à une activité scientifique et technique par la manipulation de petits matériels. Déroulé de l activité Pour chaque question posée dans cette activité, laisser le temps aux enfants d exprimer leurs idées. Rester attentif et motiver les enfants qui se découragent. Vous pouvez leur donner des indices. L électricité est présente partout : dans la nature (foudre, électricité statique), à la maison, à l école, dans la voiture, dans ta poche : lecteur MP3 ou jeu électronique, par exemple. Pour commencer, nous allons nous intéresser à l électricité statique. Premier défi : faire tenir un ballon baudruche sur le mur. Explication Lorsque tu frottes le ballon de baudruche sur un pull en laine, tu le charges d électricité. Le ballon chargé en électricité est attiré par le mur qui lui ne l est pas. On dit que la charge crée une attraction. L attraction dure un certain temps, le ballon se décharge graduellement et tombe. Il peut arriver qu il se décharge d un coup, c est ce que l on appelle une décharge électrique! Dans ce cas, on aperçoit une étincelle ou on ressent un choc. Lorsque la charge est plus grande, la décharge apparaît dans un éclair lumineux. C est le cas de la foudre! 2

3 Est-ce que l électricité statique permet de faire fonctionner les appareils électriques de la maison ou de l école? Non, ils fonctionnent avec des piles ou avec un fil électrique que l on branche dans une prise électrique. À la maison ou à l école, l électricité n arrive pas par magie dans les prises électriques! Les prises sont reliées à des fils électriques, eux-mêmes raccordés à des lignes à haute tension. Les lignes à haute tension transportent le courant électrique qui a été fabriqué dans une usine de production d électricité. Usine de production d électricité : centrale nucléaire, barrage hydro-électrique, centrale thermique à charbon, etc. Présentation du parcours de la production électrique Ontario Power authority - Le coin des enfants Pour les prochaines expériences, nous allons nous intéresser à l électricité produite à l aide d une pile et nous allons manipuler du petit matériel. Vous allez essayer de relever plusieurs petits défis en équipe (6 équipes). 3

4 Découverte du matériel Pile de 4.5 volt Ampoule Douille Fil croco Interrupteur Penser à préciser le vocabulaire des parties de l ampoule : plot et culot... et de la pile : lamelles. Les défis d électricité MISE EN GARDE : attention pour ne pas vous brûler les doigts en laissant l ampoule allumée trop longtemps. Attention, il ne faut pas relier un seul fil croco aux deux lamelles de la pile (court-circuit). Étape 1 : Allumer une ampoule avec une pile. Explication La pile est une source d électricité qui permet d alimenter l ampoule pour que celle-ci s allume. Étape 2 : Allumer une ampoule avec une pile et une douille. Explication La pile est toujours une source d électricité qui permet d alimenter l ampoule pour que celle-ci s allume. On constate aussi que la douille n empêche pas le courant électrique de passer. Courant électrique : il faut s imaginer des petites particules, invisibles à l œil nu comme l air dont le nom est électron. Ces électrons voyagent de l intérieur de la pile au culot et plot de l ampoule en passant par les lamelles de la pile. Tant que tout se touche (est en contact), le courant électrique circule. 4

5 Étape 3 : Allumer une ampoule avec une pile, une douille et deux fils crocos. Explication La pile est toujours une source d électricité qui permet d alimenter l ampoule pour que celle-ci s allume. Le courant électrique passe aussi dans les fils crocos (fils électriques). Le tout forme une boucle que l on appel un circuit fermé. Si vous sentez que certains enfants n ont pas compris le principe de la circulation du courant électrique, essayer d imager avec l exemple de la circulation de l eau dans un tuyau d arrosage branché a un robinet. Étape 4 : Allumer une ampoule et économiser l électricité. Qu est-ce qui vous manque? Réponse : interrupteur. Permet d introduire les notions : circuit ouvert / circuit fermé. Explication L interrupteur permet au courant électrique de poursuivre son voyage ou de l en empêcher. Lorsque l interrupteur est fermé, le courant électrique continue de voyager et nous avons un circuit fermé (une boucle fermée). Lorsqu il est ouvert, le courant électrique ne circule plus, il ne voyage plus. Nous avons un circuit ouvert (une boucle ouverte). Si vous sentez que les enfants peuvent aller plus loin dans les contenus, essayez de leur faire relever les défis qui suivent. Si non passer à l étape 6. Étape 5 : Allumer 2 ampoules : qu est-ce qui nous manque comme matériel? 1 fil croco. Est-ce que les ampoules éclairent aussi bien? Non Essayez de trouver une solution? Circuit parallèle fermé Circuit parallèle ouvert ou fermé avec un interrupteur 5

6 Explication Dans un circuit en série (une seule boucle avec plus d une ampoule), il y a qu un seul trajet possible pour l électricité. L électricité circule de la pile vers chaque ampoule, une à la fois, selon leur ordre de branchement sur le circuit. Ce qui réduit l intensité du courant électrique. Dans ce cas, comme l électricité ne peut circuler que sur un seul trajet, si l une des ampoules grille, l autre ne pourra pas s allumer puisque le flux de courant électrique est interrompu. De la même manière, si une ampoule est mal vissée, le flux du courant vers les deux ampoules est interrompu. Expliquer la notion d intensité : revenir à l exemple de l eau qui circule dans le tuyau d arrosage. L intensité du courant de l eau s apparente au débit de l eau, si le tuyau est percé, le débit de l eau diminue au fur et à mesure qu il voyage dans le tuyau d arrosage parce que celui-ci fuit (perd de l eau). Ça prendra donc plus de temps pour remplir un seau d eau. Dans un circuit en parallèle, il y a plusieurs trajets possibles pour l électricité donc l intensité du courant électrique reste le même d une ampoule à l autre (les circuits sont indépendants des uns des autres). Dans ce cas, comme l électricité peut circuler sur plusieurs trajets, si une des ampoules grille, l autre ampoule pourra toujours s allumer puisque le courant électrique vers l ampoule défectueuse n interrompra pas le courant électrique vers l ampoule qui fonctionne. De la même manière, si une ampoule est mal vissée, ceci n empêche pas l autre ampoule de s allumer. Étape 6 : Dans quelle matière sont fabriqué(e)s : les lamelles de la pile? métal le culot et le plot de l ampoule? métal la douille? métal les fils crocos? métal et plastique Démonstration : pour trouver avec quelle matière ont été fabriquées les fils crocos, réalisez une expérience sur les matières conductrices ou isolantes de l électricité? Matériel : objet en bois, objet en plastique, ficelle, objet en métal, eau salée, crayon papier taillé à chaque bout, feuille de papier, gomme... tout ce qui vous tombe sous la main. Explication Pour que le courant électrique passe, il faut que chaque élément du circuit soit conducteur. Un conducteur est un matériau qui laisse circuler / voyager le courant électrique. Certains matériaux sont isolants comme le plastique. C est pour cela qu on l utilise pour protéger les fils électriques. 5

7 Selon vous, notre corps est conducteur ou isolant de l électricité? Tout comme le métal, notre corps est conducteur de l électricité. Parfois, lorsque l on touche une personne qui porte un pull de laine, on ressent une décharge électrique. C est de l électricité statique. C est aussi pour cela que c est dangereux de mettre ses doigts dans les prises électriques et que l on doit se protéger de la foudre lors d un gros orage. Étape 7 : Faire une synthèse avant de conclure. Rappel : Qu est-ce que vous avez fait pour allumer l ampoule? Un circuit fermé (une boucle). Qu est-ce qui se passe? Le courant électrique fournit par la pile circule, voyage en continu, si le circuit est FERMÉ. Le courant électrique arrête de circuler, voyager, si le circuit est OUVERT. Quel matériel avons-nous utilisé pour fermer et ouvrir le circuit sans le démonter? Un interrupteur. Pour qu il y ait un courant électrique, il nous faut une source électrique comme une pile, mais il faut aussi que les éléments du circuit soient conducteur de l électricité 7

8 Conclusion Nous avons utilisé une pile pour allumer les ampoules, est-ce que les lampes que vous utiliser à la maison ou à l école fonctionnement toutes avec une pile? Certaines fonctionnent parce que nous branchons leur fil dans une prise électrique. Est-ce que vous vous souvenez comment arrive l électricité dans les prises? Petit rappel sur le parcours de production de l électricité. En France nous fabriquons de l électricité : dans des usines : centrales nucléaires et centrales thermiques à flamme à charbon en construisant des barrages hydro-électriques. Il y a 2 grands barrages sur notre département. Un à Grangent prêt de St-Victor-sur-Loire et un autre à Villerest prêt de Roanne. Ils ont été construit sur le fleuve Loire. de plus en plus à partir des énergies renouvelables : éoliennes, panneaux solaires (sur des toits de maison, d immeubles), biomasse (incinération de déchets et captage des bio gaz - méthane émis par la décomposition des déchets), la chaleur du sol (à l échelle d une maison ou d un immeuble, pas de centrale en France). Utiliser le kit de photos plastifiées. Bilan de l énergie électrique en France en EDF Si votre public est demandeur et que vous pensez qu ils peuvent comprendre la répartition de la production d électricité en France, n hésitez pas à utiliser ce graphique. 8

9 Culture générale sur l électricité Chiffres d EDF France En France, la majorité de l électricité est produite par des centrales nucléaires (74.1% de la production totale) : 58 centrales réparties sur 19 sites. La France produit aussi de l électricité à partir de : Centrales thermiques à flamme : 14 centrales thermiques à flammes avec du charbon, du fioul et du gaz. Barrages hydro-électriques. La France est le premier pays producteur de l Europe avec 435 sites. Autres énergies renouvelables : éolien, géothermie, solaire, biomasse (incinération de déchets). Vocabulaire et définitions Watt = puissance. La puissance correspond à une énergie produite (ou consommée) pendant un laps de temps donné. Ampère = quantité d énergie. La circulation des électrons est appelée courant. Mesurée en un point du circuit, l intensité du courant correspond au nombre d électrons qui traversent ce point en une seconde. Volt (unité de mesure d énergie ou charge électrique) = tension électrique (différence de potentiel) qui existe entre 2 points d un circuit parcouru par un courant constant. Pour illustrer la notion d ampère et de volt, on peut imaginer une chute d eau. L intensité pourrait être assimilée au débit de l eau alors que la tension serait représentée par la différence d altitude entre le haut et le bas de la chute. Matériaux conducteurs : métaux, eau salée, corps humain, par exemple. Ces derniers permettent aux charges électriques de se déplacer facilement. Voltage du matériel utilisé pour cette animation : ampoules : 2.5 v pile plate : 4.5 v 9

10 Énergie chimique Les piles Plus ou moins puissantes, les piles alimentent les petits objets électriques et portables : baladeur, lampe de poche, calculatrice, etc. Elles contiennent des substances chimiques capables de produire de l électricité. Toutefois, lorsque le mélange chimique est épuisé, c est fini! Il faut changer la pile. Collège kerentrech à Lorient Film sur la pile citron. College Kerentrech à Lorient 10 pour_conclure_le_chapitre_5 8_min.html

11 C est l Italien Alexandro Volta qui inventa la pile. Il a empilé des anneaux de cuivre, de buvard et de zinc dans une eau salée et il a constaté que cela produisait une décharge électrique. Les batteries Wikipédia Ce sont les grandes sœurs des piles. Cependant, leurs substances chimiques sont capables d emmagasiner de l électricité lorsqu on les charge. Elles alimentent par exemple les phares d une voiture, les téléphones cellulaires, etc. Énergie thermique Fonctionnement d une centrale thermique Réside dans la fusion des minerais. L objectif est de faire chauffer de l eau afin d obtenir de la vapeur. La pression de la vapeur permet de faire tourner à grande vitesse une turbine laquelle entraîne un alternateur qui produit de l électricité. La matière première peut-être variée : Pétrole & gaz Décomposition lente (millions d années) des petites bêtes qui peuplaient les mers et les lacs. Charbon Provient de la décomposition de végétaux morts il y a 300 millions d années. Uranium Se trouve dans certaines roches et s est formé il y a des milliards d années. Présent depuis la formation de la Terre. La roche est composée d atomes instables. 7 g d uranium libèrent autant d énergie qu une tonne de charbon. 11

12 Énergie solaire Capteur solaire : chauffe-eau solaire Installé sur le toit d une maison, le capteur solaire capte l énergie du rayonnement solaire. Cette énergie est utilisée pour chauffer un liquide antigel qui circule dans le capteur. Ce liquide transmet la chaleur acquise au ballon d eau chaude ou au système du plancher chauffant. C est le principe du tuyau d arrosage en plein soleil. Panneau photovoltaïque Les panneaux solaires photovoltaïques regroupent des cellules photovoltaïques reliées entre elles en série et en parallèle. Ces panneaux convertissent le rayonnement solaire en électricité. Le courant produit est un courant continu. Il est transformé en courant alternatif par un onduleur, pour la revente au réseau, ou pour une consommation directe. Un onduleur est un dispositif électronique de puissance permettant de délivrer des tensions et des courants alternatifs à partir d une source d énergie électrique continue. Eco Infos, énergies renouvelables Panneau photovoltaïque - Wikipédia 12 Onduleur solaire - Wikipédia

13 Energie hydraulique L hydroélectricité est une énergie électrique renouvelable obtenue par conversion de l énergie hydraulique. La force motrice de l eau est utilisée depuis des siècles : les moulins à eau moulaient le grain, actionnaient les soufflets de forge Cette énergie est également utilisée pour alimenter des sites isolés (une ou deux habitations, un atelier d artisan, une grange ) ou produire de l électricité, vendue à différentes échelles. Comment fonctionne une centrale hydroélectrique? La quantité d énergie hydraulique produite dépend de 2 facteurs : le débit de la rivière et la hauteur de chute. Une faible masse d eau tombant de haut produira donc la même quantité d électricité que beaucoup d eau dévalant un faible dénivelé. Le principe de fonctionnement d une petite centrale hydroélectrique consiste à transformer l énergie potentielle d une chute d eau en énergie mécanique grâce à une turbine, puis en énergie électrique au moyen d une génératrice. Turbine de type Francis avec sa génératrice - Wikipédia 13

14 Énergie éolienne L énergie éolienne est l énergie du vent, plus précisément, l énergie tirée du vent. Le vent fait tourner les pales, entre 10 et 25 tours par minute. L énergie mécanique ainsi produite est transformée en énergie électrique dans la nacelle grâce à une génératrice. Site : TPE énergie électrique 14

15 Biomasse Dans le domaine de l énergie, le terme biomasse regroupe l ensemble des matières organiques pouvant devenir des sources d énergie comme par exemple : captage du méthane (biogaz) émis lors de la décomposition des déchets ménagers enfouis dans le sol, (le méthane est un gaz à effet de serre 21 fois plus puissant que le gaz carbonique. ) incinération des déchets ménagers. Dans la Loire, il y a une centrale de biogaz située à Roche la Molière. Elle permet d alimenter en électricité environ 2500 foyers. Elle a une puissance de 6.5 MW. Énergie géothermique L énergie géothermique provient de la chaleur accumulée dans le sous-sol et elle permet de chauffer ou rafraichir des bâtiments. Une pompe extrait de la chaleur se trouvant sous terre pour chauffer un bâtiment et inversement l été cette pompe sert de système de climatisation en expulsant l air chaud hors de l immeuble en l envoyant dans le sol. L énergie géothermique utilise la vapeur d eau ou l eau chaude présente dans la croûte terrestre pour faire fonctionner des turbines ou pour chauffer des bâtiments ou de l eau. Cette eau provient de sources chaudes situées près d un volcan ou d une chambre magmatique. Information sur l énergie - énergie gte Centrale géothermique - EDF 15

16 Énergie mécanique énergie musculaire : êtres humains et les animaux, engrenage : horloge. Bibliographie pour aller plus loin Sites Internet Ministère de l écologie, du développement durable et de l énergie Français EDF Panorama de la production électrique en France Le coin des enfants de la Ontario authority (équivalent d EDF en Ontario, Canada) Comprendre l électricité Hydro-Québec (équivalent d EDF au Québec, Canada) Ressources vidéo de Universciences (structure de gestion de la Cité des Sciences et de l Industrie de Paris et le Palais de la découverte). Cahiers d activités scolaires Énergie et Environnement Gouvernement canadien 16