Expériences pour découvrir l'électricité, ses effets, ses composants... (m.a.j. le 29 février 2012)

I   Conducteurs et isolants : tests, résistance, microampèremètre, notion de circuit en série, dérivation, diodes, sens du courant, polarité, inverseur. 

II   Les effets de l'électricité : l'effet Joule, l'effet lumineux, effets chimiques, électromagnétisme.

III   Applications de l'électroaimant: sonnette, télégraphe, haut-parleur, moteurs électriques, tranformateurs...

IV   Produire de l'électricité : piles, accumulateurs, générateurs électro-magnétiques, courant alternatif et continu, photopiles.

Autres chapitres et expériences:

 Les résistances, l'effet Joule

Bobinages et électro-aimants

La diode: sens du courant

Piles, moteurs, lampes, interrupteurs: circuits en série, en parallèle (dérivation), va-et-vient.

L'oscilloscope et les sons

Expériences de l'année 2000 

 Expériences de J. Chr. Oersted (texte)

 Expériences avec un coffret d'électricité GéGé (1973)

Scans des pages du manuel Gégé

Générateurs électriques

Accumulateur au plomb N 

 La pile électrique (type pile Volta)

-

 Kosmos Elektro N

Elektrikus N

I - A. Conducteurs et isolants

Avec une pile, des fils et une lampe de 3,5 V, on teste le passage du courant dans différents matériaux, que l'on classe ensuite en conducteurs ou isolants.

Matériel : pile de 4,5 V, 3 cordons à pinces, lampe ou moteur, objets à tester:

Avec ce dispositif, nous avons pu constater que les métaux comme le cuivre, le zinc, le plomb, l'aluminium et l'acier sont de bons conducteurs de l'électricité.

Voici ceux qui conduisent bien l'électricité; tous les objets en métal:

 

Par contre, le bois, les plastiques, le papier, le carton, les tissus, la peinture, le verre et la porcelaine ne semblent pas conduire le courant. On les classe parmi les isolants:

 

I - B   Notion de résistance

Nous testons cette fois une mine de crayon gris, c'est à dire un petit barreau de graphite (Le graphite est fait de carbone pur.) Nous constatons que la lampe s'éclaire faiblement. Même constat avec un fil fin d'acier au carbone; on peut même régler l'intensité lumineuse de la lampe.
Cela montre que le graphite ou le fil fin d'acier réduisent la quantité d'électricité qui traverse le circuit; ces matériaux opposent une résistance au passage du courant.

Nous remarquons que l'eau du robinet laisse passer un peu de courant. Elle n'est donc pas un isolant. De même pour le bois, le carton, les tissus ou le papier s'ils sont mouillés.

Ces composants électroniques ne laissent passer qu'une faible quantité d'électricité. Ils présentent une résistance au passage du courant. Résistance, mine de crayon en graphite, diodes luminescentes, thermistances, diode Zener:

Dans le montage ci-dessous, on se sert de la résistance ajustable pour régler l'intensité d'une lampe ou la vitesse de rotation du moteur:

Voir les expériences "GéGé électricité"

Remarque : plus le fil (ou le barreau de graphite) est long, plus sa résistance est élevée.

Avec ce montage en série, les lampes brillent faiblement: nous comprenons qu'elles possèdent elles-mêmes une résistance.

 

Questions : L'eau conduit-elle l'electricité ? Et le corps humain ? Le test réalisé avec la lampe témoin ou le moteur semble indiquer que non. Peut-être qu'il ne passe pas assez d'électricité pour qu'on le détecte...

 

Expérience avec un moteur électrique de précision pour montrer que l'eau salée conduit l'électricité:

Voir la vidéo (format wmv 1 Mo)

Même expérience avec une lampe:

On voit que le filament brille très faiblement:
 
Même expérience avec un milliampèremètre dans le circuit:
Sur le cadran ont lit une intensité de 25 milliampères (25 mA = 0,025 A)


I - C     Nous affinons ce test en employant un microampèremètre, c'est à dire un instrument capable de mesurer des courants très faibles (galvanomètre).


Dès que les sondes plongent dans l'eau, l'aiguille du galvanomètre dévie. Cela montre que l'eau du robinet laisse passer une certaine quantité de courant. Cette eau est faiblement conductrice de l'électricité. En d'autres termes, elle présente une résistance élevée.

Si nous posons les doigts sur les sondes, l'aiguille dévie légèrement. La déviation est plus marquée si les doigts sont humides. Même avec une pile de 4,5 V, le corps humain laisse passer un courant électrique de très faible intensité (quelques microampères). A des tensions supérieures à 30 V, il est dangereux de toucher les fils électriques : on ressent une secousse et il y a risque d'électrocution.

Avec ce microampèremètre, on met en évidence le passage du courant dans le corps humain. C'est normal car le corps humain contient de l'eau salée. Le courant passe plus facilement si les doigts sont humides. Ici on lit environ 18 microampères, c'est à dire 0,000 018 A.

 
En revanche l'ongle semble un bon isolant:
 
L'eau salée conduit bien le courant, en voici la preuve en vidéo:
 

 Matériaux Conducteurs
(résistance faible ou nulle.)

Faiblement Conducteurs
(résistance élevée.)

 Matériaux Isolants
(résistance infinie)

 Les métaux, l'eau salée, le graphite, les solutions d'acides.

 L'eau, les matériaux humides, la terre, le corps humain, la peau.

 L'air, le bois, la porcelaine, le verre, la pierre, le tissu, les vernis, l'émail, le caoutchouc, l'ébonite, la bakélite, les matières plastiques, les peintures… les ongles des doigts, les cheveux
     
 

I - D   Circuits électriques, schématisation: en construction

 

Détail d'un interrupteur à deux positions:

interrupteur 2 positions 

 interrupteur 2 positions

Gifs animés:
Circuit en série: les deux interrupteurs sont placés l'un à la suite de l'autre dans le circuit. Ils doivent être actionnés l'un et l'autre pour que la lampe s'éclaire:

 schéma animé série

 

Ces deux interrupteurs sont placés en parallèle* de façon à ce que l'un ou l'autre permette le passage du courant:

On peut dire "en parallèle" ou "en dérivation"

 

schéma animé parallèle

 Avec un circuit "va-et-vient" comme celui-ci, on peut allumer ou éteindre une lampe d'éclairage à partir de deux interrupteurs situés aux extrémités d'un couloir.

Schéma va et vient

 

I - E Les diodes et le sens du courant - notion de polarité

On utilise une pile de 4,5 V, une lampe, des fils et une diode. On relie la lampe à la pile par l'intermédiaire d'un fil (fil blanc). Un autre fil soudé à la pile est laissé libre (fil vert).

1/ On place la diode entre la borne libre de la pile et le fil vert: la lampe s'allume. Cela montre que la diode laisse passer le courant (elle est conductrice).

2/ On retourne la diode (observer la petite bague argentée). Cette fois la lampe ne s'allume pas !

On en arrive à une conclusion simple: la diode ne laisse passer le courant que dans un seul sens.

diode 1  diode 2

On peut renouveler cette expérience avec une diode d'un autre modèle. Remarque: on obtientle même résultat en retournant la pile car cela inverse le sens du courant.

diode 3  diode 4

Avec un moteur électrique à aimants (moteur de jouet par exemple), on voit bien que le sens de rotation dépend du branchement de la pile.

Avec des interrupteurs à trois pôles, on peut facilement réaliser un inverseur de sens de marche:

 Schéma animé d'un inverseur de sens de marche pour moteur électrique

(on utilise deux interrupteurs à deux positions)Application: voir les pages Meccano et grue

schéma animé

 

Vocabulaire à retenir:

Le courant électrique a un sens. Par convention, on dit qu'il circule de la borne + vers la borne - de la pile.

La diode est un composant polarisé : elle n'accepte qu'un sens de circulation du courant.

Quand on "retourne" un élément dans le circuit, on dit que l'on inverse sa polarité.

 

Voir les montages électriques et les expériences avec les coffrets Gégé

 

II - Les effets de l’électricité.

A - Effet thermique

On place un barreau de graphite (une mine de crayon gris) entre les pinces des fils de notre alimentation variable. On règle la tension à 12V; l’intensité atteint 3,5 A. Le barreau chauffe rapidement et devient rouge vers le milieu. Les pinces aussi sont brûlantes.

    

Ceci montre que l’on peut produire très facilement de la chaleur à partir de l’énergie électrique.

C’est l’effet thermique de l’électicité, découvert en 1841 par le physicien anglais James Joule.

On utilise donc “l’effet Joule” dans tous les appareils électriques destinés à produire de la chaleur: radiateurs, fours, plaques de cuisson, fer à repasser, sèche-cheveux, bouilloire, friteuse, thermoplongeurs des machines à laver...

Expérience n°2
Avec une simple résistance plongée dans un tube à essais, nous avons pu faire boullir de l’eau. C’est le principe du thermoplongeur:

     

 

II - B   Effet lumineux par incandescence

Si l’on applique les lamelles d’une pile de 4,5 V sur les bornes d’une petite ampoule, celle-ci se met à briller. Cela montre que l’on peut produire de la lumière grâce à l’électricité.

Observons de près notre ampoule de 3 V. Nous remarquons qu’elle comporte deux tiges métalliques entre lesquelles est fixé un filament:

       

Avec l’alimentation ajustable, nous appliquons d’abord une faible tension à la lampe et nous l’augmentons progressivement. Le filament rougit puis devient jaune-orangé avant d’être blanc. C’est à ce moment qu’il éclaire le plus. On dit qu’il est incandescent (mot tiré du nom chandelle):

  

  

Voir l'expérience en images (site année 2000)


C’est parce que le filament chauffe fortement qu’il émet de la lumière. La lampe à incandescence est une application de l'effet thermique du courant électrique.

Dans une lampe à incandescence, le filament est fait d’un métal qui résiste aux hautes températures : le tungstène (point de fusion 3410°C, symbole W, voir la table des éléments chimiques).

Ci-dessous: le filament fondu d'une lampe de projecteur de diapos:
      

Il existe d’autres appareils d’éclairage électrique comme les tubes fluorescents de notre classe, les lampes économiques "fluocompactes" et les diodes luminescentes. Ces appareils n'éclairent pas grâce à l'effet Joule mais par les propriétés particulières de l'électricité dans les gaz à faible pression, ou par celles de certains métaux.

II - C Effet électrochimique : électrolyse de l'eau, galvanisation, etc. Chapitre en construction

 

II - D Effet magnétique du courant électrique


On place un fil électrique à proximité d’une boussole. Lorsqu’on fait passer un courant dans le fil, l’aiguille aimantée dévie légèrement.

    

Voir la vidéo (1 Mo)


Cela montre que le courant électrique crée un champ magnétique autour du fil qu’il parcourt.

En d'autres termes, Le fil traversé par un courant se comporte comme un aimant.

Pour mieux visualiser cet effet, nous enroulons
plusieurs tours d’un fil verni autour d’une bousole. Quand un courant traverse notre bobine, l’aiguille dévie fortement pour s’orienter perpendiculairement au fil. L’effet magnétique a été multiplié par le nombre de tours du bobinage.

Nous enroulons maintenant un fil de cuivre verni (donc isolé) autour d’un cylindre de fer doux . Dès que le courant passe dans le bobinage, des objets ferreux sont attirés : le barreau exerce une forte aimantation. Cette aimantation cesse sitôt que l’on coupe le courant.

Avec un bobinage autour d’un noyau de fer, on a réalisé un électroaimant (un aimant intermittent).

L’effet magnétique du courant électrique a été découvert par le physicien danois Oersted vers 1820.

gif animé: électroaimant

Alimenté en électricité (6 V), l'électroaimant attire des pièces métalliques contenant du fer:

bobine

 

Ci dessous: on place un électroaimant devant une boussole (photo 1). Dès que l'on branche les fils sur la pile, l'aiguille de la boussole dévie: elle est soumise à une force magnétique créée par le passage du courant dans la bobine (photo 2). On a remarqué aussi que si l'on change le sens du courant, l'aiguille de la boussole dévie dans l'autre sens:

boussole et bobine

 

boussole déviée par l'électroaimant

Bobines d'électroaimants des coffrets Gégé:
 

III Applications des électroaimants

A - La sonnette électrique

(voir les expériences du coffret Gégé électricité)

    

Voir les images vidéos:
     
 950 ko  250 ko 1 Mo
 
Voir la sonnerie des coffrets Elektrikus
 
III - B     Le télégraphe électrique Morse (vers 1840):
 
Observer l'électroaimant à deux bobines verticales qui actionne la pièce portant la mine traçante:

 

projet : construction d'un télégraphe avec un coffret GéGé:

 

III - C     Le haut-parleur, le microphone dynamique

Une application essentielle de l'effet électromagnétique: le haut-parleur. Ici l'on voit la fine bobine qui se trouve normalement placée dans le champ de l'aimant permanent:

   

chapitre en construction

 

III - D    Les moteurs électriques

Rotor à trois pôles d'un moteur de jouet:

 

Rotor à 20 pôles d'un puissant moteur de ventilateur de voiture:

Les bornes de chaque enroulement sont reliées aux lames de cuivre du collecteur:

Moteur de démonstration, à rotor à deux pôles (coffret Gégé)

   

Schémas de l'encyclopédie Tout l'Univers  en 16 volumes (1964)

   

Moteur universel de démonstration:

Rotor d'un moteur électrique à 9 pôles, à gauche on aperçoit le collecteur et les charbons:

 

IV. Comment produire ou stocker de l'électricité ?

A : Piles chimiques     B : Accumulateur au plomb     C : Générateurs magnétiques    D : Cellules solaires

A - Piles chimiques

Observons l'intérieur d'une pile de 4,5 V :

  

Nous remarquons que les trois éléments en zinc sont reliés par des lames soudées qui vont chacune du + vers le -.

Ces trois éléments de 1,5 V chacun sont reliés en série, c'est à dire qu'ils se suivent dans le même ordre.

Ainsi les tensions s'additionnent: 1,5 V + 1,5 V + 1,5 V = 4,5 V

Ci-dessous: une pile au zinc hors d'usage. L'enveloppe en métal totalement rongée par l'acide montre que des réactions chimiques sont à la base du fonctionnement des piles de ce type:


Réalisons le montage suivant : plaçons dans un godet rempli d'eau deux plaques de métal, l'une de cuivre (Cu) et l'autre de zinc (Zn). Les plaques ne se touchent pas. Branchons sur chacune un fil de jonction à pinces puis relions ces deux fils à une lampe de 2V. Rien ne se passe ! Pas plus de succès avec un moteur sensible branché à la place de la lampe…
Maintenant, versons dans l'eau un peu d'acide sulfurique dilué. La lampe s'allume !
Notre dispositif produit donc, par lui-même, de l'électricité.
Nous venons de construire une pile chimique.


Au bout d'un certain temps, la pile cesse de fonctionner : elle ne peut fournir qu'une quantité limitée d'énergie électrique.

Voir la vidéo (même montage avec un moteur électrique):


IV - B - Nous remplaçons les électrodes de cuivre et de zinc par deux plaques de plomb.
Rien ne se passe ; ce dispositif ne produit pas d'électricité par lui-même. Ce n'est pas une pile chimique.

Nous relions les électrodes de plomb à une pile de 4,5V. Des bulles de gaz apparaissent dans le liquide sur les plaques de plomb. Un léger mouvement semble prendre naissance dans le liquide entre les deux plaques (ce phénomène est plus net si la source d'alimentation est plus puissante). Cela montre qu'il y a des réactions chimiques entre les électrodes et le liquide. Après environ une minute, nous débranchons la pile. La formation de bulles cesse.
Quand nous branchons à nouveau la lampe, celle-ci s'éclaire !
Elle luit pendant quelques minutes avant de s'éteindre doucement. Conclusion : notre dispositif a accumulé de l'énergie électrique.
Nous recommençons la manipulation et constatons que nous pouvons charger et décharger plusieurs fois notre accumulateur au plomb.

Voir la vidéo d'un accumulateur au plomb:

Même expérience en 2008 avec un godet rectangulaire et des plaques de plomb moulées

Conclusion : ces expériences nous montrent que l'on peut produire de l'électricité à partir de réactions chimiques. On parle de générateurs électrochimiques : piles au zinc, à l'argent, au cuivre, au mercure, au lithium ; accumulateur au plomb, au cadmium nickel, au lithium …

Autre expérience comparable:

Expérience de la pile électrique (assimilable à une pile Volta) - année 2007

Pour cette expérience il faut des plaques de cuivre, des plaques de zinc, du papier buvard, de l'acide sulfurique dilué, quelques fils, une ampoule de 2 V ou un moteur électrique:

pile au zinc

Après avoir soudé le fil bleu sur une plaque de zinc et le fil rouge sur une plaque de cuivre, on empile les plaques en les séparant par le papier buvard:

 zinc et cuivre  empilement zinc et cuivre

 pile 2 éléments

 

 Dès que l'on dépose l'acide sulfurique sur les buvards, l'ampoule se met à briller:

pile en fonctionnement
Cette expérience montre que l'on peut produire de l'électricité à partir d'une réaction chimique. Mais notre pile ne fonctionne pas longtemps: les plaques de zinc noircissent et la pile perd très vite de sa puissance.

Voir les expériences avec les coffrets Kosmos et Elektrikus

L'accumulateur au plomb

IV - C. Générateurs mécaniques (générateurs électromagnétiques)

Rappel : lorsqu'on branche sur une pile un petit moteur électrique, celui-ci se met à tourner. Il transforme de l'énergie électrique en énergie mécanique.

 

- 1/ Expériences sur les moteurs à aimants permanents:

Branchons comme ci-dessous une diode luminescente sur un petit moteur à aimants permanents. Rien ne se passe: aucun courant ne circule en l'absence d'une pile.

Faisons maintenant tourner l'axe du moteur entre nos doigts: la diode s'éclaire (à condition de tourner dans le bon sens et assez vite).

 

Voir la vidéo d'un générateur mécanique avec une diode luminescente:

Cette expérience nous montre que certains appareils sont capables de transformer l'énergie mécanique en énergie électrique. On les appelle des générateurs électromécaniques.
Il en existe de trois sortes : l'alternateur (voitures, génératrices de vélo, groupes électrogènes, centrales électriques) , la dynamo et le moteur à aimants permanents (lampes rechargeables à manivelles dites d'ailleurs lampes-dynamo .)

Expérience complémentaire: nous relions bornes à bornes deux moteurs spéciaux absolument identiques. L'un est muni d'une bobine de fil ( que l'on peut tirer) et l'autre d'une aiguille indicatrice qui permet de compter les tours effectués.

Pour 20 tours du générateur, le consomateur en fait 14.

14/20 = 2 x 7/ 2 x 10 = 7/10 ou 70%

On en déduit que le rendement énergétique du système générateur-consommateur est de 70%.

Cela signifie qu'une partie de l'énergie est perdue lors de la transformation.

 

- 2/ Expériences avec une génératrice de vélo (appelée à tort "dynamo" de vélo alors que c'est un alternateur) :

Nous relions une diode luminescente à la génératrice de vélo apportée par Julie. Quand nous faisons tourner la molette, la diode s'éclaire. Nous remarquons qu'elle a tendance à clignoter plutôt qu'à s'éclairer en continu.

Pour mieux comprendre ce qu'il se passe, nous branchons sur la génératrice un ampèremètre à zéro central. À chaque tour de la molette, nous voyons l'aiguille basculer plusieurs fois d'un côté et de l'autre. Cela montre que le courant produit change de sens en permanence.
Notre génératrice produit un courant alternatif, c'est pourquoi on l'appelle un "alternateur":

cliquer pour voir la vidéo

Visualisation sur l'écran de l'oscilloscope du courant alternatif fourni par la génératrice (mini alternateur) :

réglages: 1 volt par division, base de temps 5 millisecondes par division. (1 V - 5 ms )

Voir la vidéo:

 
 
Courant alternatif filtré par une diode:
 
Courant alternatif redressé par un pont de diodes:
 

D - Les générateurs solaires - en construction


 

Anciennes pages du site : Expériences de l'année 2001: photos et schémas électriques

avec des animations gif:

 

La pile et le moteur (résumé de Prune)

Aujourd'hui, nous avons fait une manipulation très intéressante. Pour cette activité de découverte nous avons eu besoin d'une pile de 4,5V , de deux fils conducteurs et d'un moteur.

La pile fournit du courant électrique qui est transmis par les fils jusqu'au moteur.
Le moteur consomme l'électricité qui lui permet de tourner.

circuit

Le résumé d'Alexandre G

On nous a distribué des moteurs, des fils électriques et un interrupteur. Grâce à ce matériel nous avons découvert comment faire marcher un moteur.

Pour cela, il a fallu brancher deux fils sur l'interrupteur et nous avons relié un fil au moteur, l'autre à la borne + de la pile de 4,5 V. Le troisième fil a été branché sur l'autre borne de la pile et sur le moteur. Enfin, nous avons actionné l'interrupteur et le moteur a tourné.

La pile fournit de l'électricité qui est transmise par les fils jusqu'au moteur. Ensuite le moteur absorbe l'énergie dont il a besoin pour fonctionner. L'interrupteur interrompt le circuit électrique qui fait fonctionner tout le système.

 

Schéma animé d'un inverseur de sens de marche pour moteur électrique

(on utilise deux interrupteurs à deux positions)

Application: voir les pages Meccano et grue

 

schéma animé

Recherche d'expressions concernant l'action de chaque composant

 La pile

 les fils

 le moteur

 L'interrupteur
produit du courant, fournit de l'énergie, produit de l'électricité, génère de l'énergie électrique.  transmettent, conduisent, laissent passer, amènent le courant. reçoit, absorbe, consomme, utilise, a besoin de l'énergie électrique. coupe le circuit, interrompt ou rétablit le passage du courant.
Circuit en série: les deux interrupteurs sont placés l'un à la suite de l'autre dans le circuit. Ils doivent être actionnés l'un et l'autre pour que la lampe s'éclaire:
 schéma animé série

 

Ces deux interrupteurs sont placés en parallèle* de façon à ce que l'un ou l'autre permette le passage du courant:

On peut dire "en parallèle" ou "en dérivation"

 

schéma animé parallèle

 Avec un circuit "va-et-vient" comme celui-ci, on peut allumer ou éteindre une lampe d'éclairage à partir de deux interrupteurs situés aux extrémités d'un couloir.

Schéma va et vient

 

Détail d'un interrupteur à deux positions:

interrupteur 2 positions 

 interrupteur 2 positions

 

2/ Utiliser une ou plusieurs piles, mesurer une tension

 tension 1,54 volts

Perrine a mesuré la tension aux bornes d'une pile de 1,5 V.

Elle lit une tension légèrement supérieure: 1,54 V, car la pile est neuve.

Prune et Célia ont mesuré la tension obtenue lorsqu'on place des piles de 1,5 V "en série". (Les piles sont légèrement usées).
 avec deux piles: 2,6 V:

 avec trois piles: 4,1 V:
tension 2,6 volts

 4,1 volts

 

Expérience de la pile au zinc 

pile au zinc 1 volt

 

Dans un récipient en verre contenant de l'eau acidulée, on a placé une plaque de zinc et un tube de cuivre. Le voltmètre a montré qu'il y avait une tension de 1 V aux bornes de cette pile. Elle a été capable de faire tourner à faible vitesse un moteur de magnétoscope.

Une pile transforme l'énergie chimique en énergie électrique.

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