Comment transformer un mouvement de rotation en électricité ? Comment à partir d'une source de chaleur peut-on faire de l'électricité ?
Difficulté
Facile
Durée
20 minute(s)
Disciplines scientifiques
Science de la terre, Physique
Introduction
A travers cette expérience nous allons découvrir comment fonctionne une machine à vapeur, ou encore une centrale thermique et la façon dont il possible de générer de l'électricité à partir d'une source d'énergie.
- Matériel et outils
Canette 
Contenant métallique, de différentes formes, généralement contient de la boisson.
Diode electro luminescente 
Une diode électroluminescente (abrégé en LED, de l'anglais : light-emitting diode, ou DEL en français), est un dispositif capable d’émettre de la lumière lorsqu’il est parcouru par un courant électrique.
Vrille 
Une vrille est un outil manuel, avec en embout en spirale, permettant de faire des trous, d'un diamètre lié à la taille de l'outil, dans le bois1. C'est une sorte de mèche actionnée à la main.
Boîte de pellicule photo 
Petite boîte blanche ou noir selon les marques, servant à protéger la pellicule photo.
Bouchon de liège 
Un bouchon est un accessoire fermant le volume de la bouteille pour éviter que le liquide contenu ne s'écoule ou ne s'évapore. Sur les 16 milliards de bouchons produits chaque année, 80 % sont en liège ; mais les bouchons à vis et les bouchons synthétiques prennent de plus en plus de place dans le marché mondial
Fil électrique 
Un fil électrique : est le composant électro technique servant au transport de l'électricité, afin de transmettre de l'énergie et de l'information. Il est constitué d'un matériau conducteur, mono-brin ou multi-brin, souvent entouré d'une enveloppe isolante (plastique, Téflon...). L'intérieur du fil électrique est appelée « âme » du fil.
Pic à brochette 
Grand bâtonnets pour faire des brochettes... Pratique pour les barbecues ou pour des expériences ludiques !
Moteur électrique 
Les moteurs électriques sont des machines dites à courant continue.
En fonctionnement moteur, l'énergie électrique est transformée en énergie mécanique.En fonctionnement générateur, l'énergie mécanique est transformée en énergie électrique (elle peut se comporter comme un frein). Dans ce cas elle est aussi appelée dynamo.
Cutter 
Un cutter (ou couteau à lame rétractable) est un outil qui permet de couper des matériaux fins et peu résistants. Il est en général muni d'une lame mobile qui est masquée lorsque l'objet n'est pas utilisé (pour plus de sécurité).
Étape 1 - Mettre de l'eau à bouillir
- Tout d'abord mettez de l'eau à bouillir dans une cocotte minute
Étape 2 - Préparer l'hélice
- Pendant que l'eau chauffe, découpez dans la canette quatre rectangles de taille identique. Ces rectangles serviront de pales pour notre hélice.
- Ensuite, à l'aide d'un cutteur, réalisez dans le sens de la longueur quatre entailles à égale distance les unes des autres.
- Percez avec une vrille, un trou centrale à l'une des extrémités du bouchon en liège. Ce trou nous permettra d'emmancher l'arbre du moteur.
- Réutilisez la vrille pour percer quatre autres trous centrés entre les rainures du bouchon.
- Dans ces trous, enfoncez quatres tiges de bois
- inserrez les lames métallique (découpées dans la canette) dans chacune des rainures du bouchon,
- puis enfilez les bâtons en bois dans chaque lame.
Vous avez fabriqué une hélice radiale. Bravo !
Étape 3 - Relier l'hélice au générateur
Comment ça marche ?
Observations : que voit-on ?
La vapeur sous pression s'échappe de la cocotte par l'orifice du sifflet. Elle entraine l'hélice en rotation et cette hélice entraine l'arbre moteur. Le moteur fonctionne comme une génératrice qui produit de l'électricité, allumant la diode.
Mise en garde : qu'est-ce qui pourrait faire rater l'expérience ?
La diode ne fonctionne pas ? Pas de panique, elle n'est peut-être pas bien branchée. Et oui, elle ne fonctionne que dans un sens.
Inversez les fils et recommencez.
Explications
- L'eau en bouillant ce transforme en vapeur. La vapeur tenant de plus en plus de place dans la cocotte, est de plus en plus compressée et va chercher par tous les moyens à s'échapper. En ouvrant la soupape du couvercle, on libère la vapeur qui, dans son élan, va pousser les pales de l'hélice.
- L'hélice poussée par la vapeur va tourner et entrainer l'arbre moteur, qui va a créer de l'électricité pour allumer l'ampoule.
Plus d'explications
Dans la cocotte, l'eau en chauffant passe d'un état liquide à un état gazeux et occupe plus de volume qu'à l'état liquide.
A l'état gazeux l'eau est compressible tout comme quand elle est dans un état liquide.
L'eau à l'état gazeux est compressée dans la cocotte, car elle occupe plus de volume. La pression devient plus importante à l'intérieur qu'à l'extérieur de la cocotte. Au moment où l'on ouvre la soupape de la cocotte on crée une dépression. C'est à dire que la pression à l'intérieur de la coquotte (produite par la vapeur) tend à s'équilibrer avec la pression de l'air à l'extérieur de la cocotte. On peut dire aussi, que la pression diminue à l'intérieur de la cocotte.
Mais comme le volume d'air qui nous entoure est beaucoup plus important que le volume d'air dans la cocotte, on considère que l'intérieur revient à l'équilibre avec la pression atmosphérique au bout d'un certain temps.
Mais revenons à nos moutons ! Lorsque l'on ouvre la soupape, les fluides rentrent en mouvement pour que la pression s'équilibre. Ce mouvement de fluide (la vapeur d'eau qui sort de la cocotte) allant en contact avec la pal de l'hélice va créer une pression de surface sur la pale. Cette pale va indirectement transmettre les efforts à l'arbre moteur qu'elle va faire entrer en rotation.
- Que se passe t-il dans un moteur électrique à courant continue** (à aimant permanent) ?
Le moteur à courant continue se compose d'un aimant permanent, le stator (c'est la partie fixe, statique du moteur). Ce stator avec ses deux pôles entoure une partie mobile, l'arbre moteur aussi appelé le rotor (c'est la partie qui est en rotation). Ce rotor est composé de plusieurs bobinages (par exemple du fil de cuivre).
- les aimants créent un champs magnétique dans les bobines, qui, lorsqu'elles sont en rotation, provoquent un déplacement d'électrons libres dans le fil. C'est ce qu'on appelle : de l'électricité.
Applications : dans la vie de tous les jours
Cette expérience met en oeuvre le principe de base de toute centrale thermique, qu'elle utilise l'énergie nucléaire, du charbon ou des déchets ménagés pour chauffer l'eau. On a toujours à faire à de la vapeur d'eau qui entraine une hélice, puis un alternateur (dynamo), qui, lui même, produit de l'électricité.
Éléments pédagogiques
Objectifs pédagogiques
- Fabriquer de l'électricité à partir d'une source d'énergie
- Comprendre comment fonctionne une machine à vapeur / centrale thermique
Dernière modification 5/01/2022 par user:Lponcet.
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