La machine à vapeur : Différence entre versions

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Version du 24 juillet 2020 à 14:35

Auteur avatarOgier MAILLARD | Dernière modification 2/11/2020 par Nathanaël Latour

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Comment transformer un mouvement de rotation en électricité ? Comment à partir d'une source de chaleur peut-on faire de l'électricité ?
Licence : Attribution (CC-BY)

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.

Étape 1 - Mettre de l'eau à bouillir

  • Tout d'abord mettez de l'eau à bouillir dans une cocotte minute
n'oubliez pas de bien serrer le couvercle de la cocotte !

Étape 2 - Préparer l'hélice

Cette étape nécessite l'utilisation d'objets perforants et coupants.
  • 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

Le moteur électrique que vous allez choisir devra être connecté à une diode. Attention : la diode n'a qu'un seul sens de branchement !

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) ?
** Qu'on appelle aussi dynamo ou encore alternateur


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 2/11/2020 par user:Nathanaël Latour.

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