Électricité - Qu y a-t-il derrière la prise Ce guide est destiné aux animateurs de l exposition. Il complète le guide de l animation 1 en proposant, pour certains éléments, des scénarios d animation. sommaire Les circuits p. 3 1 Conduit ne conduit pas l électricité 2 Il a un sens 3 Montage en parallèle - en série Électromagnétisme p. 11 1 À la pêche 2 Bobines et aimants 3 Génératrices et moteurs Piles p. 21 1 Voir à l intérieur d une pile 2 Empilons nos piles 3 La pile de Volta 4 Électrolyse 2
Les circuits 3
LES CIRCUITS animation 1 Conduit ne conduit pas l électricité éléments d exposition objectifs conditions de réalisation Pour que le courant passe, le circuit doit être conducteur Pour que le courant passe, le circuit doit être fermé Laquelle de ces ampoules ne fonctionne pas Mon corps laisse passer l électricité Vidéo Ça chauffe / ça éclaire s acquérir la notion de circuit ouvert et circuit fermé. Le courant passe quand le circuit est fermé; il ne passe pas quand le circuit est ouvert. s savoir tester et classer des éléments conducteurs et non conducteurs isolants. Pour que le courant passe, le circuit doit être constitué d éléments conducteurs. (Notre corps aussi est conducteur : attention, danger!) Lieu : en dehors de l espace d exposition Âge : à partir de 5 ans Nombre d enfants : 8 Durée : 10 à 15 minutes petites planches de bois, vis à bois des supports d'ampoule et des ampoules de tension 4,5 V des piles "plates" de 4,5 V des fils électriques avec des embouts pinces "crocodiles" Conducteurs et isolants Que reconnaissez-vous sur ce plateau La pile produit du courant électrique ; c est un générateur de courant électrique. La lampe utilise le courant électrique pour briller. Pourquoi la lampe ne brille-t-elle pas Le circuit est ouvert, la lampe n'est pas reliée aux bornes de la pile. 4
LES CIRCUITS animation 1 Comment peut-on faire briller la lampe Tester les différents éléments à disposition, les classer : "conduit", "ne conduit pas". Certains objets trop courts doivent être associés à d'autres. Les corps qui laissent passer le courant sont appelés conducteurs, les autres sont des isolants. Un circuit électrique est constitué d'une suite d'éléments conducteurs reliés entre eux et aux bornes du générateur. Plus ou moins bon conducteur Observer les matériaux conducteurs, constater que la plupart sont des métaux ou alliages de métaux, nommer ces différents métaux. Avec le graphite, la lampe brille moins. Le graphite laisse moins facilement passer le courant électrique ; c'est un mauvais conducteur. (Le graphite n'est pas un métal, c'est du carbone, un peu comme du charbon). 5
LES CIRCUITS animation 2 Il a un sens éléments d exposition objectifs conditions de réalisation Des piles en piles Quelle pile choisir Vidéo : "le courant électrique" s acquérir la notion de circuit ouvert et circuit fermé. Le courant passe quand le circuit est fermé; il ne passe pas quand le circuit est ouvert. s savoir réaliser des montages simples : un générateur et un récepteur ; un générateur et deux récepteurs. s constater que le courant électrique a un sens et vérifier ses effets sur une lampe, un moteur. s observer les propriétés de certains composants électroniques : diode, buzzer qui ne fonctionnent que lorsqu'ils sont traversés par le courant dans un certain sens. Lieu : en dehors de l'élément d'exposition Âge : à partir de 5 ans Nombre d'enfants : 8 Durée : 5 à 10 minutes petites planches de bois, vis à bois des supports d'ampoule et des ampoules de tension 4,5 V des piles "plates" de 4,5 V des ampoules L.E.D (diodes) protégées par une résistance 470 ohms un buzzer de tension 6 V un petit ventilateur électrique des fils électriques avec des embouts pinces "crocodiles" Circuit simple Pouvez-vous faire briller la lampe Pouvez-vous faire tourner le moteur (le ventilateur) Pour que la lampe brille ou que le moteur tourne, il faut que leurs deux bornes soient reliées aux deux bornes de la pile. 6
LES CIRCUITS animation 2 Le courant a un sens Que se passe-t-il si on inverse les branchements aux bornes de la pile (ou aux bornes de chacun des récepteurs) Pour la lampe : elle brille également. Pour le moteur : il tourne dans l'autre sens. Le sens de rotation du moteur dépend des branchements à la pile. Pouvez-vous faire fonctionner cet appareil (buzzer) Constater que le buzzer ne fonctionne que s'il est traversé par le courant électrique dans un certain sens. Connaissez-vous ces petites "lampes" (diodes) En avez-vous déjà vu Pouvez-vous les faire briller 7
LES CIRCUITS animation 2 Les diodes ou D.E.L. ou L.E.D. ne brillent que si elles sont traversées par le courant dans un certain sens. Dans les corps conducteurs, le courant électrique est dû à un déplacement d'électrons qui vont de la borne "-" de la pile à la borne "+ ". ATTENTION! Par convention, le sens du courant électrique est celui qui va de la borne "+ "à la borne "-" de la pile. Autres propositions Utiliser trois fils pour faire fonctionner le buzzer et les diodes. Utiliser quatre fils pour faire fonctionner le buzzer, les diodes et le moteur. Les diodes et le buzzer doivent être reliés à la pile de façon à être traversés par le courant dans le "sens passant". 8
LES CIRCUITS animation 3 Montage en parallèle - en série élément d exposition Pour que le courant passe, il faut relier l'appareil à la pile. objectifs s acquérir la notion de circuit ouvert et circuit fermé. Le courant passe quand le circuit est fermé; il ne passe pas quand le circuit est ouvert. s différencier un générateur (pile) qui produit du courant électrique et des récepteurs (lampe, moteur ) qui utilisent le courant électrique. s comprendre la notion de court circuit. Le circuit relie directement une borne de la pile à l'autre sans alimenter aucun récepteur. Le court circuit à la maison peut avoir de graves conséquences. s savoir réaliser des montages simples : un générateur et un récepteur ; un générateur et deux récepteurs. s constater les effets de montages : en série (tous les récepteurs sur le même circuit) ; en parallèle (un circuit pour chaque récepteur relié aux bornes de la pile ou à un autre récepteur alimenté par la pile). s comprendre la fonction de l'interrupteur qui ouvre et ferme le circuit et savoir le placer en série dans un montage simple. conditions de réalisation Lieu : en dehors de l'élément d'exposition Âge : à partir de 8 ans Nombre d'enfants : 8 Durée : 20 à 30 minutes petites planches de bois, vis à bois des supports d'ampoule et des ampoules de tension 4,5 V des piles "plates" 4,5 V des ampoules L.E.D protégées par une résistance 470 ohms des fils électriques avec des embouts pinces "crocodiles" un buzzer de tension 6 V Circuit simple Pouvez-vous allumer la lampe Faire visualiser le circuit du courant électrique qui part d'une borne de la pile et qui revient à l'autre. Pouvez-vous faire fonctionner ce petit appareil mystérieux (buzzer) 9
LES CIRCUITS animation 3 Pour que le courant passe dans un appareil, il faut que les deux bornes de celui-ci soient reliées aux deux bornes de la pile. Si on inverse les branchements aux bornes de la pile des appareils, que se passe-t-il Les diodes, le buzzer ne fonctionnent que s'ils sont traversés par le courant électrique, dans un certain sens. Circuits avec plusieurs récepteurs Pouvez-vous réaliser un montage pour faire briller les deux lampes Pouvez-vous réaliser un montage pour faire fonctionner une lampe et les diodes Pouvez-vous réaliser un montage pour faire fonctionner tous les appareils Les enfants réalisent généralement des montages en parallèle. Chaque appareil a son propre circuit, au départ des bornes de la pile ou au départ des bornes d'un autre appareil lui même relié à la pile. Ce montage est appelé «montage en parallèle» ou «dérivation». Inviter les enfants à réaliser des montages avec moins de fils, c'est à dire des montages en série. La pile et les différents récepteurs sont reliés entre eux de façon à former une boucle unique, un "collier". Ce montage est appelé montage en série. Comparer les effets du courant dans chacun des deux montages. Dans un montage en parallèle, les effets du courant sont sensiblement les mêmes que lorsque les récepteurs sont seuls à être alimentés par la pile. La tension aux bornes de chaque récepteur est à peu près égale à la tension aux bornes de la pile. Dans un montage en série, les effets du courant sont plus faibles : les appareils offrent trop de résistance à son passage. Ils ne fonctionnent pas ou que faiblement. C'est la tension aux bornes de l'ensemble qui est égale à la tension aux bornes de la pile. 10
Électromagnétisme 11
ÉLECTROMAGNÉTISME animation 1 À la pêche éléments d exposition Faire tourner un aimant avec du courant L aimant dans la bobine Vidéo : ça aimante objectif conditions de réalisation s acquérir des connaissances sur les propriétés des aimants. Les aimants attirent les corps constitués de matériaux dits magnétiques : fer, oxyde magnétique de fer, nickel, cobalt On dit qu'un aimant crée autour de lui un champ magnétique. Un aimant droit possède deux pôles : un pôle nord et un pôle sud. Lorsqu'ils sont libres de s'orienter, un aimant droit ou une petite aiguille aimantée prennent à peu près la direction nord/sud; le pôle nord de l'aimant étant celui qui pointe dans la direction du nord. Deux aimants peuvent s'attirer ou se repousser : deux pôles semblables se repoussent, deux pôles différents s'attirent. Lieu : en dehors de l'élément d'exposition Âge : à partir de 5 ans Nombre d'enfants : 8 Durée : 10 minutes poissons en cuivre, en fer, en bois, en plastique, en aluminium, en acier, tige rigide, fil aimants de diverses puissances petit aquarium Matériaux magnétiques et non magnétiques Après avoir distribué les "cannes à pêche", proposer d'aller à la pêche aux poissons. Attention, on joue à tour de rôle et on désigne avant essai le poisson qu'on a l'intention de pêcher. 12
ÉLECTROMAGNÉTISME animation 1 On peut écourter la partie en proposant d'éliminer par catégorie les poissons que l'on est sûr de ne pas pouvoir pêcher. Seuls les matériaux magnétiques sont attirés par l'aimant. Parmi les métaux présents sur le plateau, seul le fer est attiré par l'aimant. Le cuivre, l'aluminium n'ont pas de propriétés magnétiques. (L'acier est un alliage de fer et de carbone). Aimantation permanente, aimantation temporaire Faire remarquer qu'un gros poisson attiré par un aimant peut lui même attirer un petit poisson en fer ou en acier. Cette attraction cesse si on éloigne l'aimant. Au contact d'un aimant, un matériau magnétique a temporairement les propriétés d'un aimant. Propriétés des aimants Tester les différents aimants, comparer leurs forces. Faire remarquer que les forces s'exercent à distance. On peut aussi, en jouant avec deux aimants, constater les phénomènes d'attraction et de répulsion. 13
ÉLECTROMAGNÉTISME animation 2 Bobines et aimants éléments d exposition Quand le courant passe, ça aimante. Vidéo : "ça aimante" objectif s acquérir des connaissances sur les propriétés des électroaimants. Un fil conducteur parcouru par un courant crée autour de lui un champ magnétique comme un aimant; pour que l'effet magnétique soit plus fort, le fil est enroulé en bobine. Une barre de fer, placée au centre de la bobine, augmente la puissance de l'électroaimant. Une bobine, tant qu'elle est parcourue par un courant, se comporte exactement comme un aimant : elle présente deux pôles : un pôle nord et un pôle sud ; elle attire les matériaux magnétiques, elle peut attirer ou repousser un aimant ou un autre électroaimant. conditions de réalisation Lieu : en dehors de l'élément d'exposition Âge : à partir de 8 ans Nombre d'enfants : 8 Durée : 30 minutes Un fil parcouru par un courant a des propriétés magnétiques z 1 er atelier aiguille aimantée, support d'axe à aiguille aimants support d'oerstedt (plaque de bois - tige rigide en cuivre) piles 4.5 V, trombones, fil électrique Observer la petite aiguille aimantée placée sur son axe indépendant. Parce que c'est un aimant, la petite aiguille s'oriente toujours dans le sens nord/sud. Vérifier ses propriétés en approchant un autre aimant. L'aiguille aimantée est déviée sous l'influence du champ magnétique de l'aimant. Deux pôles semblables se repoussent, deux pôles différents s'attirent. 14
ÉLECTROMAGNÉTISME animation 2 Montrer le support de l'aiguille d'oerstedt avec son fil de cuivre. Y a-t-il sur ce support quelque chose qui soit un aimant, qui ait les propriétés d'un aimant Vérifier avec un trombone, par exemple. Placer l'aiguille aimantée sous le fil. Faire constater que rien ne vient perturber l'aiguille qui se place comme tout à l'heure dans la direction Nord/Sud. Proposer de faire passer un courant électrique dans le fil et pour cela, de le relier à la pile. Rappeler la notion de circuit et demander qu'il soit possible d'ouvrir et de fermer le circuit grâce à l'interrupteur. Que se passe-t-il quand on ferme le circuit (quand le courant passe dans le fil ) Autour d'un fil parcouru par un courant, apparaît un champ magnétique. Ce champ magnétique fait dévier l'aiguille aimantée. Électroaimant et aimant z 2 ème atelier bobines à coudre fil de cuivre clou ou vis piles 4.5 V, trombones, fil électrique Faire observer et décrire la bobine du plateau d'expérience. Reconnaître le fil de cuivre, faire constater qu'il y en a une longueur plus grande enroulée sous la forme d'une bobine. Que va-t-il se passer si je fais circuler un courant dans cette bobine Mettre en évidence les propriétés magnétiques de la bobine en approchant l'aiguille aimantée posée sur son axe. Placer l'axe de fer à l'intérieur de la bobine et constater les différences. La bobine fait-elle tourner l'aiguille aimantée quand le courant ne passe plus 15
ÉLECTROMAGNÉTISME animation 2 Une bobine parcourue par un courant se comporte comme un aimant. Ses propriétés magnétiques sont plus importantes si on place à l'intérieur un cylindre de fer appelé "noyau de fer doux" (fer pur). C'est un électroaimant. La bobine perd son aimantation quand elle n'est plus traversée par le courant électrique. Sortir l'axe de fer de la bobine. Peut-on l'utiliser comme un aimant Essayer avec des trombones, par exemple. Utiliser le cylindre d'acier pour faire la même expérience. Le fer ne conserve pas ses propriétés magnétiques ; l'acier (alliage de fer et de carbone) les conserve. Avec l'acier, on peut fabriquer des aimants permanents. Les pôles de l'électroaimant z 3 ème atelier bobines à coudre fil de cuivre clou ou vis piles 4.5 V, trombones, fil électrique Approcher un barreau aimanté d'une extrémité puis de l'autre de la bobine. Observer et expliciter ses réactions. Inverser les connexions aux bornes de la pile. Faire constater et expliciter les changements. Comme un aimant, un électroaimant a deux pôles. Si on change le sens du courant, le pôle nord devient pôle sud et réciproquement. On peut aussi approcher de la bobine du plateau une autre bobine suspendue et montrer les mêmes réactions quand deux électroaimants sont mis en présence. On peut poursuivre en abordant le principe du moteur (cf. Animations Génératrices et moteurs). 16
ÉLECTROMAGNÉTISME animation 3 Génératrices et moteurs éléments d exposition Principe du moteur L'intérieur du moteur géant La génératrice fabrique de l'électricité Plus on allume de lampes, plus il faut d'énergie Vidéo "La génératrice" et "le moteur" objectifs conditions de réalisation s comprendre le principe du moteur électrique. Une bobine mobile autour d'un axe peut être attirée ou repoussée par des aimants. Si un petit collecteur astucieux change quand il le faut le sens du courant, la bobine tournera sur elle-même. s aborder la notion de courant induit. De même que le courant électrique peut créer un champ magnétique, les aimants peuvent créer du courant. En déplaçant un aimant au voisinage d'une bobine ou l'inverse, on induit un courant dans le fil; c'est l'induction électromagnétique. Lieu : en dehors de l'élément d'exposition Âge : à partir de 8 ans Nombre d'enfants : 8 Durée : 30 à 45 minutes Faire passer un courant dans une bobine, utiliser un Voltmètre* z 1 er atelier bobine à coudre entourée de fil de cuivre interrupteur : trombones sur plaque de bois long clou en fer pile 4,5 V, voltmètre, fils électriques Faire observer la bobine du plateau ; remarquer qu'il s'agit d'une bobine de fil de cuivre comme observée précédemment. Peut-on envoyer un courant électrique dans cette bobine * Cette proposition suppose que les enfants ont déjà fait les expériences sur l'électroaimant. 17
ÉLECTROMAGNÉTISME animation 3 Faire réaliser un circuit avec interrupteur. Comment mettre en évidence le fait qu'un courant traverse cette bobine Laisser expérimenter ses propriétés magnétiques à l'aide du barreau aimanté par exemple. Rappeler les notions abordées précédemment. A-t-on d'autres moyens de constater que le courant passe On peut, à cette occasion, montrer que le passage du courant produit de la chaleur. Faire observer le Voltmètre. A quoi, à votre avis, sert cet appareil Essayer de mesurer la tension aux bornes de la pile. Mesurer la tension aux bornes de la bobine pour mettre en évidence le passage du courant. Produire du courant * z 2 ème atelier bobine à coudre entourée de fil de cuivre voltmètre - long aimant Relier le Voltmètre aux bornes de la bobine, celle-ci n'étant pas reliée à la pile. Du courant passe-t-il dans la bobine Constater que le Voltmètre indique bien "0". Montrer l'aimant, demander aux enfants de le déplacer à l'intérieur de la bobine. Que constate-t-on L'indication du Voltmètre (mettre le curseur sur la position courant alternatif) montre qu'il y a un courant électrique. Faire constater que ce courant est bien produit à l'intérieur de la bobine et ne provient pas de la pile. * Cette proposition suppose que les enfants ont déjà fait les expériences sur l'électroaimant. 18
ÉLECTROMAGNÉTISME animation 3 Lorsqu'on déplace un champ magnétique à proximité d'une bobine, on crée dans le fil un courant électrique. C'est l'induction électromagnétique. Qu'y a-t-il à l'intérieur d'une génératrice * z 3 ème atelier génératrice : dynamo de vélo démontée lampe, fils électriques Montrer la génératrice mobile (dynamo de vélo) Connaissez-vous cet objet A quoi sert-il Peut-on alors, avec cette génératrice, allumer la lampe A votre avis, qu'y a-t-il à l'intérieur de cette génératrice pour qu'elle produise du courant Proposer de vérifier les hypothèses en ouvrant la génératrice démontable. Faire constater qu'ici, c'est la bobine qui tourne à l'intérieur de l'aimant. Une génératrice, c'est une bobine et un aimant ; la bobine tournant dans le champ magnétique de l'aimant ou l'aimant tournant à l'intérieur de la bobine. C'est sur ce principe que fonctionnent les centrales électriques. Moteurs * z 4 ème atelier moteur démonté (ex : ventilateur à pâles) pile 4.5V Faire observer un moteur (ventilateur par exemple). Faire préciser qu'un moteur utilise du courant électrique. Faire réaliser un montage qui permette de faire tourner le moteur avec l'énergie de la pile. Montrer le moteur mobile. Qu'y a-t-il à l'intérieur du moteur Que va-t-il se passer quand on va envoyer du courant dans l'une des bobines La bobine devient un électroaimant (faire les rappels s) qui réagit avec l'aimant permanent; elle est attirée, elle tourne et s'immobilise face à l'aimant. * Cette proposition suppose que les enfants ont déjà fait les expériences sur l'électroaimant. 19
ÉLECTROMAGNÉTISME animation 3 Si l'on envoie maintenant du courant dans la deuxième bobine, elle va réagir de même et ainsi de suite. Reste à trouver le système qui fasse que le courant soit envoyé dans chacune des bobines successivement. Faire référence à l'élément d'exposition où l'aimant permanent mobile tourne quand on envoie du courant successivement dans les trois bobines. Faire observer le dispositif des balais. (Difficile à comprendre). Génératrices et moteurs * z 5 ème atelier génératrice, moteur, lampe fils électriques, piles 4.5 V Les enfants ne manquerons pas de faire la proposition d'utiliser le montage qui permet de faire tourner la génératrice à l'aide du moteur. Laisser faire ce montage en faisant remarquer que vouloir allumer la lampe grâce à la génératrice entraînée par le moteur lui même relié à la pile n'est peut-être pas le moyen le plus simple. Par contre, vouloir relier la pile à la génératrice n'est pas conseillé, et n'a en tout cas pas de sens puisque l'une et l'autre servent à produire du courant. Faire faire la synthèse des connaissances. Un moteur et une génératrice sont composés des mêmes éléments : bobines et aimants. Dans le moteur, les électroaimants (bobines dans lesquelles passe un courant électrique) réagissent avec un aimant. Dans la génératrice, la rotation de l'aimant crée un courant dans la bobine. Un moteur utilise du courant électrique ; il utilise l'énergie électrique fournie par la pile pour produire un mouvement. La génératrice, elle, produit du courant ; c'est le mouvement de la bobine dans l'aimant ou de l'aimant dans la bobine qui génère du courant électrique dans le fil. Faire produire du courant électrique par une génératrice demande donc une force, une énergie. Quelle énergie utilise-t-on dans une centrale hydraulique, thermique, nucléaire ; qu'est-ce qu'une éolienne * Cette proposition suppose que les enfants ont déjà fait les expériences sur l'électroaimant. 20
Piles 21
PILES animation 1 Voir à l intérieur d une pile éléments d exposition objectifs conditions de réalisation La pile géante Qu'y a-t-il à l'intérieur d'une pile La pile humaine Vidéo "Le courant électrique" s découvrir de quoi est constituée une pile de type "Leclanché". s comprendre que le courant électrique est dû à une réaction chimique entre deux électrodes de matériaux conducteurs différents plongeant dans un électrolyte. Lieu : en dehors de l'élément d'exposition Âge : à partir de 8 ans Nombre d'enfants : 8 Durée : 15 à 20 minutes Circuit fermé, conducteurs et isolants z 1 er atelier petite planche de bois des supports d'ampoules et des ampoules de tension 4,5 V des piles "plates" 4,5 V des fils électriques avec embouts "pinces crocodiles" voltmètre Pourquoi la lampe ne brille-t-elle pas n Le circuit n'est pas fermé. n Elle n'est pas reliée à la pile. Pouvez-vous faire briller la lampe La lampe brille quand le circuit est constitué d'éléments conducteurs. Dans ces matériaux (des métaux le plus souvent), les électrons ne sont que faiblement liés aux noyaux des atomes et sont donc relativement libres de se déplacer. C'est ce déplacement qui constitue le courant électrique. 22
PILES animation 1 Dans votre montage, à quoi sert la pile La pile produit du courant électrique ; c'est un générateur de courant électrique. Elle agit comme une pompe et pousse les électrons dans le même sens, de la borne "-" à la borne "+ ". ATTENTION! Le sens conventionnel du courant est du "+" vers le "-". Que fait la lampe Produit-elle du courant électrique La lampe utilise le courant électrique, c'est un récepteur comme un moteur, une sonnette. Son filament est traversé par le courant électrique, il chauffe, il brille. Les bornes de la pile doivent être reliées aux bornes de la lampe. Utilisation du voltmètre À votre avis, à quoi sert cet appareil À mesurer : n les "volts" n la force n la puissance n la tension de la pile Vérifier avec une pile du commerce reliée au circuit. Mesurer la tension aux bornes de la pile, aux bornes de la lampe, circuit ouvert, circuit fermé. Aux bornes d'une pile en état de fonctionnement, qu'elle soit seule ou dans un circuit, la tension n'est pas nulle ; une pile est un générateur de courant. La tension aux bornes d'une lampe qui n'est pas placée dans un circuit est toujours nulle ; une lampe est un récepteur de courant. 23
PILES animation 1 Qu'y a-t-il à l'intérieur d'une pile z 2 ème atelier piles saline type "Leclanché" ouverte Observer la pile ouverte. Constater qu'elle est constituée de trois piles rondes reliées en série. Observer l'élément ouvert. Reconnaître le bâtonnet de carbone (graphite), pôle "+", le mélange pâteux (dioxyde de manganèse), l'enveloppe de zinc, pôle "-". Ces éléments (bâton de carbone et enveloppe de zinc que l'on présentera à part), sont-ils conducteurs Les tester en les insérant dans un circuit. ATTENTION! Le carbone n'est pas un métal mais il est conducteur. Et la pâte noire À quoi sert elle On peut faire l'expérience en trempant l'enveloppe de zinc et le bâton de carbone dans de l'eau vinaigrée et mesurer la tension générée. La pile observée (pile saline type Leclanché) est constituée de deux électrodes conductrices, l'une en carbone, l'autre en zinc plongeant dans un milieu pâteux acide appelé électrolyte. Il se produit une réaction chimique du zinc et du carbone au contact du milieu acide. Quand on relie les deux électrodes par un conducteur, il y a déplacement d'électrons du zinc vers le carbone et donc courant électrique. Remarque : Les piles alcalines courantes au manganèse contiennent de la poudre de zinc, un mélange d'oxyde de manganèse et de carbone, et de l'hydroxyde de potassium comme électrolyte, le tout enfermé dans une boîte d'acier nickelé. (L'électrode "-" est le zinc contenu dans la pâte de l'électrolyte, l'électrode "+" est l'oxyde de manganèse en contact avec l'acier du corps de la pile.) 24
PILES animation 2 Empilons nos piles éléments d exposition objectifs conditions de réalisation Quelle pile choisir Des piles en piles Quand le courant passe, ça électrolyse Vidéo "La pile", "Ça électrolyse" s Savoir associer des piles en série pour obtenir la tension pour faire fonctionner un récepteur. s Apprendre à utiliser un voltmètre et vérifier que les tensions des piles en série s'ajoutent. Lieu : en dehors de l'élément d'exposition Âge : à partir de 8 ans Nombre d'enfants : 8 Durée : 10 à 15 minutes Fabriquer une pile z 1 er atelier citrons, pommes de terre différents métaux (fer, cuivre, zinc, aluminium ) Nous allons fabriquer des piles ; que nous faut-il pour cela (Renvoyer aux informations données sur l'exposition). Deux métaux différents : donner à observer et nommer les différents métaux, évoquer leurs caractéristiques et leurs usages courants. Faire choisir à quelques-uns deux lames différentes. Que nous manque-t-il Un "électrolyte". Proposer citrons et pommes de terre comme électrolytes et inciter les enfants à planter dedans les lames de métal. n a-t-on fabriqué une pile n comment le savoir n qu'est-ce qu'on peut attendre d'une pile 25
PILES animation 2 Tension aux bornes d'une pile z 2 ème atelier voltmètre À votre avis, à quoi sert cet appareil À mesurer : n les "volts" n la puissance n la tension du courant électrique. Essayer avec une pile du commerce ; comparer la tension indiquée sur la pile avec celle indiquée par le voltmètre. Mesurer la tension des différentes piles qu'on vient de fabriquer. En plongeant deux lames de métaux différents dans une solution acide, on obtient une pile. La tension aux bornes d'une pile n'est pas nulle même lorsqu'elle n'est pas placée dans un circuit. Association de piles z 3 ème atelier bocaux en plastique avec couvercle lames de cuivre, de zinc vinaigre fils électrique avec embouts pinces "crocodiles" des ampoules L E D (diodes) fixées sur une planche en bois voltmètre Proposer de réaliser des piles plus performantes avec du cuivre et du zinc et de l'eau salée ou vinaigrée. Peut-on, avec l'une de nos piles, faire briller une petite diode Constater que la diode ne brille pas. Pouvez-vous déterminer pourquoi la diode est "grillée" La tester avec une pile du commerce. Constater qu'il est de la brancher dans un certain sens. 26
PILES animation 2 Refaire le montage avec la pile "artisanale". Inverser les branchements. Faire d'autres hypothèses : notre pile n'est pas assez puissante, elle ne fournit pas assez de courant électrique. La diode et plus généralement tout récepteur ne fonctionne que si la tension fournie par la pile est adaptée à la tension d'utilisation du récepteur. Si la tension est inférieure, le récepteur ne fonctionne pas. Si elle est supérieure, le récepteur risque d'être endommagé. Est-il tout de même possible de faire briller la diode avec nos piles Avez-vous chez vous des appareils ou des jouets à piles Amener les enfants à remarquer que souvent ces appareils nécessitent plusieurs piles et à en déduire qu'il faudrait, nous aussi, que l'on utilise plusieurs de nos piles "artisanales". Laisser faire les raccordements puis faire observer. Où sont les bornes de "la grosse pile" que l'on veut réaliser Vous semblent-elles correctes À quoi faut-il faire attention quand on met plusieurs piles dans un appareil Recommencer les connections avec plus de réflexion. Constater que la diode brille (changer le sens si ça n'est pas le cas). Proposer aux plus grands, avant de mesurer avec le voltmètre, de calculer (en arrondissant) la tension aux bornes de notre "grosse pile". La tension aux bornes de piles mises en série est égale à la somme des tensions de chacune d'elles. On peut finir en faisant observer l'intérieur d'une pile plate de 4,5V et constater qu'elle comporte 3 éléments, 3 piles rondes de 1,5V branchées en série. On fera remarquer que si les piles ne sont pas toutes semblables, elles sont conçues sur ce principe de base : deux métaux différents (ou un métal et un composé d'un autre métal ou un autre conducteur (carbone)) qui réagissent chimiquement au contact d'une solution acide. 27
PILES animation 3 La pile de Volta éléments d exposition objectif conditions de réalisation La pile géante Qu'y a-t-il à l'intérieur d'une pile s Comprendre, en réalisant l'expérience, que l'invention de Volta, est un empilement de piles en série. Lieu : en dehors de l'élément d'exposition Âge : à partir de 8 ans Nombre d'enfants : 8 Durée : 15 minutes Rappel Si les enfants n'ont pas suivi l'animation "empilons nos piles", reprendre la fabrication de piles (cuivre, zinc et eau salée ou vinaigre), l'utilisation du voltmètre, l'association de piles en série pour allumer une diode La pile de Volta rondelles de cuivre, de zinc percées en leur centre rondelles de tissus imbibés d eau salée (ou de vinaigre) et percés au centre tige pour empiler les rondelles voltmètre diodes fixées sur une petite planche, vis à bois fils électriques Connaissez-vous monsieur Volta Qu'a-t-il inventé il y a près de 200 ans Qu'avons-nous pour essayer de faire une pile comme celle de monsieur Volta Des rondelles de cuivre, des rondelles de zinc. Que nous manque-t-il 28
PILES animation 3 Reprendre notre pile "artisanale" et constater qu'entre les deux lames de métal, il nous faut un électrolyte, de l'eau salée ou vinaigre. Laisser les enfants se mettre d'accord sur ce qu'il faut réaliser. Leur demander, avant d'aller plus loin, de dire ce qu'ils ont réalisé en intercalant du tissu imbibé d'eau salée (ou de vinaigre) entre une rondelle de cuivre et une rondelle de zinc. Comment mettre en évidence le fait qu'il s'agit d'une pile Mesurer la tension générée à l'aide du voltmètre. Que pouvons-nous faire pour produire plus d'électricité et faire allumer la diode Il faut associer plusieurs de ces petites piles. Laisser les enfants manipuler et leur faire remarquer si qu'il faut bien mettre les piles dans le bon sens et ne pas mettre d'eau salée ou vinaigrée entre deux piles. Leur demander pendant qu'ils réalisent cette opération de dire ce qu'ils sont en train de faire et leur faire remarquer qu'ils font une "pile" (pile d'assiettes, pile de livres), d'où le nom de l'objet que l'on utilise actuellement. Faire briller la diode. Mesurer la tension aux bornes de la pile de Volta. ATTENTION! Il se produit rapidement un phénomène de polarisation (de l'hydrogène se dégage autour de l'électrode de cuivre) qui diminue l'intensité du courant. La découverte de monsieur Volta Qu'avait donc découvert monsieur Volta Entre deux métaux différents, au contact d'une solution acide, il se produit une réaction chimique qui libère des électrons. Ces électrons circulent dans le fil conducteur extérieur à la pile. Si nous laissons notre pile ainsi pendant un certain temps, que va-t-il se passer L'eau va s'évaporer, la pile va sécher et ne fonctionnera plus. Les piles que l'on utilise aujourd'hui sont-elles les mêmes que celle qu'avait réalisé monsieur Volta La pile Leclanché, du nom de son inventeur, contient un électrolyte pâteux, une électrode en zinc (le corps de la pile) et une électrode en carbone (bâton central). 29
PILES animation 3 Il existe aujourd'hui de nombreuses sortes de piles (on peut énumérer celles que l'on connaît) ; elles sont différentes mais conçues selon le principe découvert par Volta : deux métaux différents (ou un métal et un composé d'un autre métal ou un conducteur d'une autre nature - carbone) qui réagissent chimiquement au contact d'une solution acide. On peut mettre en garde sur le fait de vouloir ouvrir les piles (danger de brûlure par l'acide) ou de les disperser dans la nature (elles contiennent des métaux et des produits chimiques dangereux pour l'environnement; il faut donc les rapporter chez le bijoutier ou au bureau de tabac). Les piles alcalines courantes au manganèse contiennent de la poudre de zinc, un mélange d'oxyde de manganèse et de carbone, et de l'hydroxyde de potassium comme électrolyte, le tout enfermé dans une boîte d'acier nickelé. L'électrode "-" est le zinc contenu dans la pâte de l'électrolyte, l'électrode "+" est l'oxyde de manganèse en contact avec l'acier du corps de la pile. 30
PILES animation 4 Électrolyse éléments d exposition Quand le courant passe, ça électrolyse Vidéo "Ça électrolyse" objectif s Constater que certains liquides laissent passer le courant, d'autres non. s Constater que le passage du courant dans l'eau produit des réactions chimiques et le dégagement de gaz. conditions de réalisation Lieu : en dehors de l'élément d'exposition Âge : à partir de 8 ans Nombre d'enfants : 8 Durée : 15 minutes bocaux en plastique avec couvercle deux gros clous vinaigre, huile, eau salée, eau pile 4.5 V - fils électriques diode fixée sur une petite planche en bois Rappel Pouvez-vous réaliser un branchement qui permette de faire briller la petite diode On peut aussi essayer d'allumer les autres diodes en série. Constater qu'elles doivent être traversées par le courant dans un certain sens. Rappeler les notions de circuit fermé, conducteurs. Les liquides sont-ils conducteurs Quel montage pourrait-on faire pour savoir si le courant électrique passe à travers le vinaigre, l'huile, l'eau salée, l'eau Faire expliciter le montage avant de faire les essais de réalisation. 31
PILES animation 4 Certains liquides conduisent le courant électrique (eau salée, vinaigre ), d'autres non (huile...). Pouvez-vous tester si les liquides conduisent plus ou moins bien l'électricité Faire les essais avec une diode, trois diodes en série, quatre. Les liquides sont plus ou moins bons conducteurs de l'électricité : l'eau du robinet n'est que faiblement conductrice, l'eau salée conduit beaucoup mieux le courant. Et notre corps, est-il conducteur Avez-vous fait l'expérience sur l'exposition Pourquoi à votre avis notre corps est-il conducteur Pourquoi, avec le courant de la maison peut-on s'électrocuter On peut élargir le propos en parlant de la foudre, de l'air, du bois humide de l'arbre qui conduit l'électricité de très haute tension des éclairs Électrolyse Avez-vous observé quelque chose de particulier quand le courant traverse l'eau Réalisez un montage où l'électricité passera dans l'eau. Observer, avec la loupe si, ce qui se passe sur les clous. Constater le dégagement de bulles et faire expliciter. Quand le courant électrique passe dans l'eau, des réactions chimiques se produisent aux électrodes ; on observe un dégagement de gaz (bulles) sur chacune d'elles. Le courant électrique décompose l'eau en dihydrogène sur l'électrode liée à la borne négative et de l'oxygène sur l'autre électrode. 32