La main à la pâte
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Titre : Interrupteur ILS Objectif Construire un capteur de proximité et un relais à partir d’un ILS Matériel 1 ILS (interrupteur à lame souple) 1 aimant 20 cm de fil souple 0,5mm² ou moins 1 voyant 24V 1 alimentation variable 24V 3A 1 rhéostat 100 3A 1 alimentation 24V~ Procédure 1°) On monte l’ILS en série avec le voyant 24V sur l’alimentation 24V (= ou ~). En approchant l’aimant, on constate que le voyant s’allume. 2°) On fait tourner l’aimant avec la perceuse… 3°) On enroule le fil souple autour de l’ILS, on branche sur l’alimentation variable en série avec le rhéostat et on fait varier l’intensité du courant. A partir d’une certaine intensité le voyant s’allume. 4°) Faire la même expérience avec du courant alternatif (24V~). Intérêt pédagogique Champ magnétique crée par un courant Fonctionnement de l’ILS Effets différents du courant alternatif et continu électroaimant, spire de Fragger Temps de réponse Applications techniques Détecteur de proximité Alarme antivol Relais, Relais HT Interrupteur de remise à zéro… Difficultés Les ampoules ILS sont fragiles, il faut les monter sur un support (une partie de barrette de domino suffit…). Attention au sens du champ magnétique. Développement Faire un relais d’intensité. Faire un automaintien. Titre : Surintensité dans un conducteur Objectif Détruire un fil isolé Matériel 3 transformateurs 220V/24V identiques 3 ampèremètres 20 cm de fil souple de câblage électronique (UTP…) de couleur blanche si possible 1 alternostat (autotransformateur variable) 1 craie 2 morceaux de contreplaqué de 10cm x 10cm environ Procédure 1°) On branche les 3 transformateurs en parallèle à la sortie de l’alternostat. Dans le secondaire de chaque transformateur on insère un ampèremètre. On branche le fil enroulé sur la craie en court-circuit à la sortie des transfos 2°) On met sous-tension avec la sortie de l’alternostat à zéro et on augmente très progressivement en surveillant les ampèremètres. 3°) Ne pas aller trop vite et surveiller la couleur de l’isolant. 4°) Au maximum le fil devient rouge. 5°) Faire des essais avec différents fils, un brin de fil de cuivre souple 6°) Dessiner un motif avec un fil nu sur un morceau de contreplaqué, poser l’autre morceau dessus, serrer fermement et faire passer l’intensité maximale Intérêt pédagogique Notions de densité de courant, de température de fusion, de résistivité, de température de fonctionnement… Constitution des câbles Mode de pose des câbles Intérêt des protections Essai des transformateurs en court-circuit Applications techniques Difficultés L’obtention d’un courant important est délicate. Lors de l’échauffement, faire attention au support. Attention aux brûlures ! Il y a aussi dégagement de fumée lorsque l’isolant fond… Développement Câble dans de l'eau Divers mode de pose Méthode de pyrogravure Titre : Faire brûler le filament d'une ampoule dans l'air Objectif Pourquoi met-on les filaments dans une ampoule ? Matériel 1 ampoule 24V 60W maxi 1 alimentation variable 24V 3A Procédure 1°) On casse l'ampoule de verre. 2°) On branche l'ampoule sur l'alimentation… 3°) On augmente la tension Intérêt pédagogique Constitution d'une ampoule Rôle de l'atmosphère gazeuse Température du filament Historique Applications techniques Halogène Difficultés Il faut casser l'ampoule sans risque. Pour cela scotcher l'ampoule puis la serrer dans un étau au-dessus d'une poubelle. Utiliser du 24V~ ou une alimentation à courant continu pour éviter les risques de choc électriques. Développement Souder un filament cassé Mesurer la température du filament et sa résistance Rendement / Pertes sous forme de chaleur Caractéristiques du tungstène Échauffement en fonction du milieu. Titre : Electrisation sous 9V Objectif Déterminer le seuil de sensation de passage du courant électrique dans le corps humain Matériel 1 pile 9V et son coupleur 1 potentiomètre 1kΩ 1 bouton poussoir 2m de fil rigide 1,5mm² 1 milliampèremètre Procédure 1°) On branche le potentiomètre aux bornes de la pile 9V via le bouton poussoir 2°) La tension partielle est amenée par deux fils sur la langue du "cobaye". Le milliampèremètre est en série avec ces deux fils 3°) Le jeu se joue alors à deux, le "cobaye" ne doit pas voir ce que fait l'expérimentateur, qui va faire varier la position du potentiomètre et appuyer sur le bouton poussoir. 4°) L'expérimentateur demande "Sent-tu quelque-chose ?" sans préciser s'il appuie ou non sur le bouton poussoir. 5°) Essayer avec la peau mouillée et sèche Intérêt pédagogique Montage potentiométrique Résistance interne d'une pile Résistance du corps humain Pile alcaline/saline Sécurité électrique Graphique des effets du courant électrique sur le corps humain Applications techniques Electrochocs Electrothérapie Appareil tue-mouche Chaise électrique Difficultés Hygiène. Couper les fils et les dénuder quand on change de "cobaye". Trouver l'appareil de mesure qui va bien. Un appareil à aiguille est plus rapide. Développement Normes des appareils médicaux Titre : Effet stroboscopique Objectif Visualiser l'effet stroboscopique créer par l'éclairage fluorescent standard. Matériel 1 éclairage fluorescent avec ballast et starter à bilame 1 disque avec des secteurs blancs et noirs 1 perceuse avec variateur de vitesse ou 1 moteur asynchrone avec un variateur de vitesse Procédure 1°) On fait tourner le disque avec la perceuse en l'éclairant avec le tube fluorescent 2°) On fait varier la vitesse de rotation Intérêt pédagogique Fonctionnement des éclairages fluorescents Sécurité Perception de l'œil humain. Fatigue. Notion d’ergonomie Applications techniques Ballast électronique Déphasage Difficultés La répartition et la taille des secteurs sur le disque sont très importantes. Fixer la perceuse dans un étau (sécurité !) Développement Mesure de la vitesse de rotation en tour/seconde Titre : Utilisation d'un moteur universel en CC Objectif Transformer une perceuse 220V~ pour l'utiliser en courant continu. Matériel 1 perceuse 220V~ 1 alimentation Procédure 1°) Ouvrir la perceuse et en ressortir 4 fils (inducteur et induit) 2°) Brancher l'inducteur et l'induit séparément sur des alimentations variables 3°) Faire varier la vitesse de rotation de la machine Intérêt pédagogique Moteur universel et MCC Applications techniques Installations sur batterie 12V Difficultés Dimensionnement (détermination des courants nominaux) Développement Variation de vitesse des MCC Rendement Titre : Clignotant à starter Objectif Faire clignoter une ampoule électrique. Matériel 1 starter classique d'éclairage fluorescent 1 éclairage à incandescence 220V~ 40W 1 alternostat 1 boite de dérivation 1 interrupteur Marche/arrêt 1 corps de voyant Ø 22mm Procédure 1°) Décalotter le starter et l'installer dans le corps de voyant 2°) Brancher le starter en série avec la lampe et le bouton au secondaire de l'alternostat 3°) Mettre en marche et augmenter progressivement la tension au secondaire de l'alternostat Intérêt pédagogique Bilame Ionisation d'un gaz Eclairage fluorescent Constitution physique et cœfficient de dilatation Applications techniques Bilame : thermostat, relais thermique, sécurité des portes de machine à laver, vérin électrique Difficultés Prendre un starter neuf, l'ampoule est claire Attention à préserver le niveau IP2X Développement Essayer avec du courant continu Starter électronique, démarrage d'un éclairage fluorescent avec un bouton poussoir Fabrication d’une bilame Titre : Diode à l'oxyde de cuivre Objectif Construire une diode avec un morceau de cuivre Matériel 1 plaque de cuivre 1 plaque de plomb 1 étau 1 plaque de cuisson électrique 1 alimentation CC 1 milliampèremètre 1 rhéostat 10kΩ Procédure 1°) Intérêt pédagogique Fonction redressement Valeurs caractéristiques de la diode Densité de courant Historique / Comparaison avec les diodes actuelles Applications techniques Difficultés Obtention de la couche semi-conductrice Développement Photo-pile Titre : Création d'un champ tournant Objectif Utiliser un automate Zélio et 4 bobines de contacteur pour faire tourner une aiguille aimantée. Matériel 1 automate Zélio (8S et interface utilisateur) 4 bobines de contacteur 1 aiguille aimantée Procédure 1°) Monter les 4 bobines en croix. Installer l'aiguille au centre de la croix 2°) Brancher et programmer le Zélio 3°) Lancer le programme de l'automate Intérêt pédagogique Champ tournant Moteurs synchrone et asynchrone Moteur pas à pas Variateur de vitesse Onduleur pleine onde Applications techniques Moteurs asynchrone, synchrone, pas-à-pas Variateurs de vitesse Difficultés Programmation de l'automate Valeur du champ magnétique Développement Changer le sens de rotation par l'interface utilisateur Faire varier la vitesse Titre : Effet Joule Objectif Matériel Fils électriques, gobelet en polystyrène expansé, eau, résistance électrique, vernis, alimentation électrique, thermomètre. Procédure Soudez une résistance électrique (100 ohms par exemple) aux fils et passez du vernis sur les soudures pour les isoler. Remplissez un gobelet de polystyrène d'eau, initialement à température ambiante et immergez la résistance. Branchez l’alimentation aux fils. Placez un thermomètre dans l'eau et mesurez la température en fonction du temps. Plus le temps passe, plus l'eau chauffe. L'énergie électrique est bien convertie en chaleur. Intérêt pédagogique Applications techniques Difficultés Développement Mesure des pertes par effets Joule dans une lampe à incandescence. Complément mathématique pour l'exploitation des mesures L’eau chauffe car la résistance chauffe. Le courant est un déplacement d'électrons. Ces électrons sont freinés dans la résistance, ils « frottent ». Ce sont en fait des chocs qui produisent au niveau atomique cet « effet Joule ». Pour obtenir l'équivalent électrique de la chaleur, il faut connaître les formules de l'énergie thermique dégagée par la résistance et de l'énergie thermique dans l'eau. U =Tension (en V) R = Résistance (en Q) T = Variation de température (en K ou °C) t = Temps (en s) m = Masse d'eau (en kg) c = coefficient caractéristique de l’eau. Chaleur spécifique de l’eau = 4180 J/kg.K Comme l'énergie du système isolé par le polystyrène se conserve, il y a égalité entre l'énergie produite dans la résistance par effet Joule et l'énergie thermique cédée à l'eau. Réalisez une série d'expériences en changeant la valeur de la résistance, la quantité d'eau et la tension délivrée par l’alimentation. Si vous voulez, vous pouvez retrouver expérimentalement la formule de l'énergie thermique fournie à l'eau. En acceptant comme vraie celle de l'énergie électrique, vous avez un repère pour les valeurs d'énergie. L'énergie thermique peut être fonction de la masse de l'eau présente, de la variation de température, du temps, et de rien d'autre à priori. Réalisez des séries d'expériences à énergie fixée (tension et temps fixés) en faisant varier un seul de ces paramètres. De cette manière, vous avez accès à la dépendance de l'énergie vis-à-vis de cette grandeur. Tracez des graphiques montrant l'énergie en fonction du paramètre. Il est facile de reconnaître une dépendance proportionnelle ou plus complexe (inverse, carré, inverse du carré...). Conseils Pour mesurer la masse d'eau utilisée, réalisez deux pesées : l'une avec le gobelet vide, l'autre avec: le gobelet plein. La différence donne la masse de l'eau. N'utilisez pas trop d'eau sous peine de devoir attendre longtemps pour avoir une élévation de température significative. Essayez de juger les perturbations que votre propre corps ou d'autres paramètres introduisent dans les mesures de température. Votre système est-il vraiment isolé de l'extérieur?
