Ecole primaire Sud Michelet

Ecole élémentaire Sud Michelet
Le Creusot (71)
CE2 Mr LECLERE
Que serait aujourd’hui un monde sans électricité ?
Faire prendre conscience aux élèves de la place de l'électricité dans notre
société
Dans un premier temps, les élèves doivent repérer sur une image des objets qui utilisent de
l’électricité.
Les élèves doivent ensuite réfléchir sur le nombre de fois qu’ils utilisent l’électricité dans une
journée en les énumérant.
Puis, lors d’une discussion collective entre l’enseignant et les élèves, ils parleront des différentes
sources de production d’électricité possibles (centrale nucléaire, éolienne, etc.) ainsi que des
différents éléments qui permettent d’avoir de l’électricité dans une maison (pile, dynamo, prise).
La pile
La pile carrée
Les élèves reçoivent une pile et une ampoule. Ils doivent essayer différents montages, les
dessiner sur leur fiche. A l'aide de ces différents essais, les élèves formulent une ou deux règles
sur la façon de placer l'ampoule pour que celle-ci s'allume à coup sûr. Les élèves doivent émettre
des règles telles que "l'ampoule doit être reliée aux deux languettes (circuit fermé)" et "l'une des
languettes doit toucher le culot, l'autre le plot."
Une mise en commun sera prévue pour discuter des différents essais et se mettre d'accord sur
ces règles.
Comment allumer une ampoule, toujours avec une pile plate, mais loin de la pile?: Il faut quelque
chose, un fil pour relier pile et ampoule (si besoin une mise en commun peut être effectuée pour
leur rappeler la règle émise juste avant). Lorsqu'ils en font la demande, l'enseignant sort une boîte
avec plusieurs fils. Les élèves devront trouver celui ou ceux qui leur permettent d'allumer
l'ampoule.
La pile ronde
Les élèves doivent essayer d'allumer l'ampoule avec une pile ronde. Au début, seul ces deux
éléments leur sont donnés. Ils devront se rendre compte en observant la pile que les éléments
correspondant aux languettes se trouvent en haut et en bas de la pile.
Comment augmenter l'éclat d'une ampoule? (il est nécessaire de mettre en place un montage
témoin qui restera allumé durant toutes les manipulations afin de permettre de comparer l'intensité
lumineuse des ampoules objectivement et non sur des souvenirs)
La grosseur des piles n'a aucune importance pour l'éclat de l'ampoule, ce dernier dépend du
nombre de piles rondes qui alimentent le circuit. C'est l'occasion d'insister sur les signes + et - :
pour augmenter l'éclat d'une ampoule, le + d'une pile doit correspondre au – de la suivante.
La notion de circuit
Pour faire un rappel de ce que les élèves ont vu lors de la séance précédente, les élèves doivent
repérer quelles ampoules vont s'allumer sur différents dessins (circuit avec pile ronde).
Dans un second temps ils devront construire un circuit simple avec du matériel proposé, par
groupe de deux ou trois élèves. Puis, à l’aide des différents essais qu’ils feront peut-être, les
élèvent formuleront une ou deux règles sur la façon de placer les différents éléments dont ils ont
besoin pour construire leur circuit simple.
Cette séance est consacrée aux isolants et aux conducteurs. Dans la première partie de la
séance les élèves sont amenés à réfléchir sur les différentes matières qui permettent ou non à
l'électricité de passer. Dans la seconde partie, les élèves recopient dans un tableau les matières
selon si elles sont conductrices ou isolantes.
Qu'il y a-t-il dans une pile?
L'explication électrochimique du fonctionnement de la pile, nettement au dessus du niveau des
élèves de cycle 3, ne pourra être abordée.
Observation d'une pile ronde démontée.
Les enfants découvrent au centre de la pile un bâton de graphite, charbon conducteur qui est le
pôle positif. Le pôle négatif de la pile n'est autre que la paroi de la cuve en zinc. Entre les deux, la
gelée emprisonne un liquide conducteur (électrolyte). Ce sont là les trois éléments fondamentaux
pour un fonctionnement possible de la pile.
Peut-on faire une pile avec autre chose?
La pile citron
Avec du vinaigre
Cette expérience étant difficile à concevoir pour des élèves, elle peut être réalisée à partir d'un
protocole expérimental qu'aura fourni l'enseignant, le but étant de respecter le protocole.
On pourra utiliser un Voltmètre pour montrer qu'il y a production de courant électrique.
La pile VOLTA
C'est en 1800 qu'un savant italien, Alessandro VOLTA, mit au point une source d'électricité qu'on appela
pile. Pour créer son générateur d'électricité, il empila successivement des disques métalliques de zinc et de
cuivre en intercalant entre chacun d'eux un disque de carton mouillé avec de l'eau salée (on utilisera des
disques de feutre et du vinaigre). Aujourd'hui, toutes les piles sont fabriquées sur le même principe, mais les
métaux et le liquide utilisés sont différents. Il s’agit maintenant de reconstituer la pile de Volta et de la
tester. (On remarquera que le nom de pile est particulièrement bien adapté)
Comment peut-on utiliser de l’énergie électrique si on ne dispose
pas de piles ou de prises de courant ?
Pour les élèves, il s’agit de proposer des exemples, proposer des interprétations (rôle de la pile,
de la prise de courant), citer différents dispositifs répondant au problème posé (groupe
électrogène, bicyclette, …)
On retiendra le dispositif de la bicyclette.
On utilisera un vélo d’appartement.
D’où vient l’énergie électrique ?
Proposer à un élève de pédaler afin de faire tourner la roue quand la génératrice est en contact
avec celle-ci, quand elle ne l’est pas. Quand sera-t-il le plus facile de pédaler ? Pourquoi ? Les
élèves émettent des hypothèses, tirent la conclusion : il faut fournir un effort plus important quand
l’ampoule brille. Plus l’effort est important, plus elle brille.
.
Observation de la génératrice :
La génératrice a deux bornes, il faut faire tourner le galet pour avoir de l’électricité, plus le galet
tourne vite, plus l’ampoule brille.
Ya-t-il une pile dans la génératrice ? Que contient le boîtier ?
Génératrice de bicyclette démontable :
Il n’y a pas de piles dans la génératrice, mais un morceau de fer qui peut tourner, c’est un
aimant (comment le sait-on ?), une bobine, elle est faite d’un grand nombre de tours de fil, les
deux extrémités de ce fil sont faciles à voir ainsi que leur point de contact avec la génératrice, des
languettes de fer doux, elles ne sont pas aimantées.
Maquette : un barreau aimanté ticonal, une bobine avec bornes de connexion, un noyau de fer
doux, un porte-aimant pour mise en rotation sur support, une roue d’entraînement, une courroie et
un support : Les élèves vont pouvoir vérifier les hypothèses qu’ils ont émises à partir de
l’observation de la génératrice :
Il faut déplacer convenablement un aimant par rapport à une bobine pour qu’un courant passe
dans le circuit de celle-ci. L’énergie électrique provient de l’énergie musculaire fournie par le
cycliste, c’est la génératrice qui permet cette transformation.
Il existe différents types de générateurs électriques. Les plus importants actuellement sont :
- Les piles qui transforment l’énergie chimique en énergie électrique. Elles produisent un courant continu (il
circule toujours dans le même sens). Il en est de même pour les accumulateurs.
- Les générateurs qui transforment l’énergie mécanique en énergie électrique, c’est le cas de celui de la
bicyclette.
Le nom « dynamo » est réservé aux générateurs qui produisent du courant continu (il en existe dans certains
types de voitures). Ce terme est impropre pour désigner la génératrice de bicyclette, c’est en fait un
alternateur puisqu’elle produit du courant alternatif (il circule alternativement dans un sens puis dans l’autre)
Qu’y a-t-il derrière la prise électrique ?
Il s'agit d'aborder les notions de production, de consommation et de distribution de l'électricité :
Brancher une lampe signifie se relier à tout un réseau de production et de distribution d’électricité.
D’où vient le courant électrique dans l’installation de la maison jusqu'à la centrale ?
Il est possible d'aborder également les dangers de l’électricité au quotidien et le caractère
conducteur du corps humain.
Retrouver sur un schéma les différents éléments d’une centrale électrique, en particulier,
l’alternateur et la turbine, quelle est leur fonction ?
Maquette
Centrale thermique
Une centrale thermique à flamme produit de l'électricité à partir de la vapeur d'eau produite grâce
à la chaleur dégagée par la combustion de gaz, de charbon ou de fioul, qui met en mouvement
une turbine reliée à un alternateur.
Centrale thermique-source EDF
1/ La combustion
Un combustible (gaz, charbon, fioul) est brûlé dans les brûleurs d'une chaudière pouvant mesurer jusqu'à 90 m de
hauteur. Le charbon est d'abord réduit en poudre, le fioul est chauffé pour le rendre liquide puis vaporisé en fines
gouttelettes et le gaz est injecté directement sans traitement préparatoire.
2/ La production de vapeur
La chaudière est tapissée de tubes dans lesquels circule de l'eau froide. En brûlant, le combustible dégage de la
chaleur qui va chauffer cette eau. L'eau se transforme en vapeur, envoyée sous pression vers les turbines.
3/ La production d'électricité
La vapeur fait tourner une turbine qui entraîne à son tour un alternateur. Grâce à l'énergie fournie par la turbine,
l'alternateur produit un courant électrique alternatif.
Un transformateur élève la tension du courant électrique produit par l'alternateur pour qu'il puisse être plus facilement
transporté dans les lignes à très haute et haute tension.
4/ Le recyclage
À la sortie de la turbine, la vapeur est à nouveau transformée en eau grâce à un condenseur dans lequel circule de
l'eau froide en provenance de la mer ou d'un fleuve. L'eau ainsi obtenue est récupérée et re-circule dans la chaudière
pour recommencer un autre cycle. L'eau utilisée pour le refroidissement est restituée à son milieu naturel ou renvoyée
dans le condenseur.
Les fumées de combustion sont dépoussiérées grâce à des filtres et sont évacuées par des cheminées.
Centrale nucléaire
On utilise ici un minerai, l'uranium, qui en faible quantité est capable de libérer énormément de
chaleur. Cette chaleur transforme de l'eau en vapeur d'eau et met en mouvement une turbine
reliée à un alternateur qui produit de l'électricité.
1/ Le circuit primaire
Dans le réacteur, la fission des atomes d'uranium produit une grande quantité de chaleur. Cette chaleur fait
augmenter la température de l'eau qui circule autour du réacteur, à 320 °C. L'eau est maintenue sous pression pour
l'empêcher de bouillir.
Ce circuit fermé est appelé circuit primaire.
2/ Le circuit secondaire
Le circuit primaire communique avec un deuxième circuit fermé, appelé circuit secondaire par l'intermédiaire d'un
générateur de vapeur. Dans ce générateur de vapeur, l'eau chaude du circuit primaire chauffe l'eau du circuit
secondaire qui se transforme en vapeur.
La pression de cette vapeur fait tourner une turbine qui entraîne à son tour un alternateur. Grâce à l'énergie fournie
par la turbine, l'alternateur produit un courant électrique alternatif.
Un transformateur élève la tension du courant électrique produit par l'alternateur pour qu'il puisse être plus facilement
transporté dans les lignes très haute tension.
3/ Le circuit de refroidissement
À la sortie de la turbine, la vapeur du circuit secondaire est à nouveau transformée en eau grâce à un condenseur
dans lequel circule de l'eau froide en provenance de la mer ou d'un fleuve. Ce troisième circuit est appelé circuit de
refroidissement.
e
En bord de rivière, l'eau de ce 3 circuit peut alors être refroidie au contact de l'air circulant dans de grandes tours,
appelées aéroréfrigérants.
Les 3 circuits d'eau sont étanches les uns par rapport aux autres.
Centrale nucléaire-source EDF
Une centrale hydraulique
L'eau d'un barrage descend par une conduite et vient frapper les pales d'une turbine. Cette
dernière tourne sous la force de l'eau et entraîne un alternateur.
1/ La retenue de l'eau
Le barrage retient l'écoulement naturel de l'eau. De grandes quantités d'eau s'accumulent et forment un lac de
retenue.
2/ La conduite forcée de l'eau
Une fois l'eau stockée, des vannes sont ouvertes pour que l'eau s'engouffre dans de longs tuyaux métalliques
appelés conduites forcées.
Ces tuyaux conduisent l'eau vers la centrale hydraulique, située en contrebas.
La plupart des centrales hydrauliques en France sont automatisées. Chaque centrale se met en marche selon un
programme prédéfini en fonction des besoins d'électricité.
3/ La production d'électricité
À la sortie de la conduite, dans la centrale, la force de l'eau fait tourner une turbine qui fait à son tour fonctionner un
alternateur. Grâce à l'énergie fournie par la turbine, l'alternateur produit un courant électrique alternatif.
La puissance de la centrale dépend de la hauteur de la chute et du débit de l'eau. Plus ils seront importants, plus
cette puissance sera élevée.
4/ L'adaptation de la tension
Un transformateur élève la tension du courant électrique produit par l'alternateur pour qu'il puisse être plus facilement
transporté dans les lignes à très haute et haute tension.
L'eau turbinée qui a perdu de sa puissance rejoint la rivière par un canal spécial appelé canal de fuite.
Barrage hydroélectrique-source EDF
Une éolienne
Eoliennes-source MULTIBRID
Une éolienne (ou “aérogénérateur”) utilise la force du vent pour actionner les pales d'un rotor. L’énergie mécanique
produite par la rotation des pales est transformée en énergie électrique grâce à un générateur. Une éolienne se
compose d'un mât pouvant mesurer de 10 à 100 m de haut selon la puissance de la machine. Sur le mât est installée
une nacelle renfermant la génératrice électrique qui est entraînée par un rotor de 2 ou 3 pales mesurant entre 5 et 80
m de diamètre. La puissance d’une éolienne peut aller jusqu’à 3 MW (prochainement 4 à 5 MW). Une éolienne
fonctionne uniquement lorsqu’il y a du vent. Elle tourne en effet lorsque la vitesse du vent s’établit entre 15 et 90
km/h, vitesse au-delà de laquelle l’éolienne s’arrête automatiquement pour des raisons de sécurité. Dans la plupart
des cas, l’électricité ainsi produite est acheminée par un câble électrique souterrain jusqu’au poste de livraison. Les
éoliennes de forte puissance n'étant pas haubanées, elles nécessitent de solides fondations.
Produire de l’électricité directement à partir du soleil
Il suffit de tourner le visage vers le soleil pour sentir l’énergie qui s’en dégage. De la lumière, de la
chaleur et, rapidement, de bonnes couleurs si l’on s’expose quelque temps. Le soleil est à
l’origine de presque toutes les énergies sur terre : le vent qui souffle, l’eau des rivières qui coule,
les plantes qui grandissent. Même les énergies fossiles, comme le pétrole et le charbon,
proviennent d’animaux et de végétaux qui ont vécu et grandi il y a des millions d’années grâce au
soleil. Cette énergie du soleil, nous pouvons la capter et nous en servir comme moyen de
chauffage, ou pour fabriquer de l’électricité.
Cellule solaire « Jeulin » (disponible au centre de ressources)
La source lumineuse normale est le soleil, cependant, nous éclairerons la cellule avec une lampe
à incandescence.
Brancher un Voltmètre
Vérifier que le courant débité est fonction de l’éclairement : en éloignant puis en rapprochant la
source lumineuse.
Mémo :
Le courant électrique
Le courant électrique est le flux permanent d'électrons qui parcourent un circuit toujours dans la
même direction. On mesure en Volts la force avec laquelle voyagent les électrons. On mesure en
watts la quantité d'électrons mis en circulation (ou la puissance électrique).
La production de l’électricité :
L’électricité est une énergie secondaire qui peut être produite de différentes manières :
 L’énergie nucléaire :
Dans un réacteur nucléaire comme dans toute centrale thermique, on transforme l'énergie libérée
par un combustible sous forme de chaleur en énergie mécanique, puis électrique.
 L’énergie thermique :
Une centrale thermique produit de l'électricité à partir d'une source de chaleur. Cette source peut
être un combustible brûlé (gaz naturel, certaines huiles, charbon, déchets industriels, déchets
ménagers, etc.), ou encore de la chaleur préexistante (noyau de la Terre pour la géothermie,
soleil etc.).
La source chauffe un fluide (souvent de l'eau) qui passe de l'état liquide à l'état gazeux (vapeur).
Cette vapeur entraîne une turbine accouplée à un alternateur qui transforme l'énergie cinétique de
la turbine en énergie électrique.
 L’énergie hydraulique :
Une centrale hydraulique utilise l'énergie fournie par une masse d'eau en mouvement pour
produire de l'énergie électrique. Un barrage retient une grande quantité d'eau sous la forme d'un
lac de retenue.
Plusieurs variantes des centrales hydrauliques existent. Certaines fonctionnent en exploitant
l'énergie fournie par les marées ou par les vagues. Leur nombre reste toutefois très limité.

Les énergies renouvelables :
 L’énergie éolienne
Cette énergie est produite par la force exercée par le vent sur les pales d'une hélice.
Cette hélice est montée sur un arbre qui peut être relié à un générateur qui
transforme l'énergie mécanique en énergie électrique.
 Les capteurs solaires
Un panneau solaire ou capteur solaire est un dispositif destiné à récupérer une
partie du rayonnement solaire pour le convertir en énergie solaire.