Par Raphaël Duval Les travaux de Michael Faraday LES DÉBUTS D’UN GÉNIE I ssu d’une famille peu fortunée, Michael Faraday n’était pas destiné à l’avenir qui lui était réservé. Fils de forgeron, il ne reçut qu’une éducation primaire avant de devenir l’apprenti de George Riebau, un libraire-relieur. Curieux de nature, le jeune homme était très intéressé par la lecture des livres scientifiques qu’il obtenait par son travail. Un bon jour, il eut la chance d’assister à une conférence d’un des plus célèbres scientifiques de son temps, Humphry Davy. Pendant la présentation, Faraday n’avait pas le temps d’applaudir. Il prenait des notes sur les sa carrière de scientifique débuta. Royal Institution de Londres en 1855 SAVAIS-TU? expériences qu’effectuait l’illustre scientifique devant la foule, qu’il retranscrira dans un livre comptant 300 pages dont il fit cadeau à son idole. Touché par son travail, Davy lui offrit un cadeau à son tour. Michael devint son adjoint à la Royal Institution de Londres. C’est ainsi que Initiées en 1825 par Michael Faraday, les « conférences de Noël pour les jeunes gens » présentées à la Royal Institution of Great Britain se sont perpétuées jusqu’à nos jours. Ayant pour buts de diffuser les connaissances et d’intéresser la jeunesse à la science, l’aspect captivant de ces présentations est qu’elles sont accompagnées de démonstrations sur le vif. Conférence de Noël aux jeunes gens en 1856 par Michael Faraday 1 Par Raphaël Duval Fil LES PREMIERS PAS DU MOTEUR ÉLECTRIQUE SANS MICHAEL FARADAY, LE MONDE TEL QUE NOUS LE CONNAISSONS NE SERAIT PEUT-ÊTRE PAS PAREIL. SA DÉCOUVERTE DU PRINCIPE DE LA ROTATION ÉLECTROMAGNÉTIQU -E, QUI EST EN FAIT LA BASE DU MOTEUR ÉLECTRIQUE, A CHANGÉ LE COURS DE L’HISTOIRE. Après une expérience portant sur l’électricité et le magnétisme, Humphry Davy mit au défi Faraday d’essayer de produire un mouvement continu d’un objet à l’aide de ces deux phénomènes. Davy voulu jouer un tour à son jeune assistant, sachant qu’il ne serait pas capable, mais Michael le prit aux mots et y parvint le 4 septembre 1821. Jusqu’à ce jour, l’électricité n’avait aucune réelle application outre de produire de courtes éclaires lumineuses et de faire tourner partiellement Interrupteur l’aiguille d’une boussole par magnétisme. À l’aide d’un bol de mercure, d’un aimant et d’un bout de liège, Faraday réussit ce que personne ne pensait possible. EXPLICATION DU PHÉNOMÈNE DE ROTATION CONTINUE LE MONTAGE QUI A PERMIS À FARADAY DE CRÉER L’ANCÊTRE DU MOTEUR ÉLECTRIQUE ET D’AINSI INSCRIRE SON NOM DANS L’HISTOIRE EST SEMBLABLE À CELUICI-DESSUS. C’EST UN CIRCUIT ÉLECTRIQUE. LES COMPOSANTS DU CIRCUIT Il est constitué d’une batterie, de fils conducteurs, d’un interrupteur, d’un bol rempli de mercure et d’un aimant. 2 INFORMATIONS ET DÉFINITIONS IMPORTANTES BATTERIE : Une batterie est un objet qui permet de créer de l'énergie électrique, grâce à un échange d'électrons, jusqu'à ce qu’elle soit épuisée. CONDUCTEUR ÉLECTRIQUE : A la propriété de transmettre l'électricité. INTERRUPTEUR : Dispositif qui permet d'interrompre ou de rétablir un courant électrique. MERCURE : Métal à l’état liquide à température ambiante et conducteur électrique. AIMANT : Dispositif destiné à produire un champ magnétique extérieur. ÉLECTRON : C’est une particule qui possède une charge élémentaire de signe négatif et est l'un des composants de l'atome. COURANT ÉLECTRIQUE : Correspond au déplacement d'électrons dans un matériau conducteur. Par Raphaël Duval Image 2. Champ magnétique d’un aimant LE PARCOURS DES ÉLECTRONS Les électrons débutent leur chemin de la borne positive de la batterie et le finissent à la borne négative de cette dernière, puisque le sens conventionnel du courant va du « + » vers le « - ». En parcourant le fil, ils traversent l’interrupteur pour ensuite se rendre au mercure liquide. Un autre fil trempant dans la substance et se connectant à la borne négative de la batterie permet aux électrons de terminer leur course. Bien sûr, ceux-ci effectuent en boucle le circuit afin qu’il y ait du courant. visualiser ce concept. L’aimant, quant à lui, possède aussi un champ magnétique (voir image 2). À cause de la proximité du fil suspendu et de l’aimant, ces champs magnétiques entre en interaction. Celui de l’aimant tente de repousser le fil. Quant au champ magnétique du fil, il cherche à tourner autour de l’aimant. Un mouvement circulaire continu est alors tracé par le fil autour de l’aimant à cause des forces magnétiques. En inversant le sens du courant, ou encore en tournant l’aimant afin de mettre le pôle qui était en haut, en bas, il est possible de changer le sens de rotation du fil suspendu. S’il tournait dans le sens horaire, il tournerait donc dans le sens antihoraire. LE MAGNÉTISME DANS TOUT ÇA Le bout de fil, qui est suspendu au-dessus du bol et trempant dans le mercure, est parcouru par un courant électrique. Un champ magnétique autour du fil est alors produit puisque des charges électriques, les électrons, sont en mouvement dans celui-ci. Ce champ magnétique n'est créé que lorsque le courant circule dans le fil. Le champ magnétique effectue des rotations autour du fil en fonction du sens du courant. L’image 1 permet de Ce simple mouvement permit de multiplier les applications de l’électricité dans la vie de tous les jours. Plusieurs outils technologiques découlent du phénomène qu’a découvert Faraday, entre autre le moteur électrique comme mentionné précédemment, un outil déterminant dans l’évolution de la société. Image1. Champ magnétique autour d’un fil droit 3 Par Raphaël Duval LES COMPOSANTS DE L’INSTALLATION LA NAISSANCE DU GÉNÉRATEUR Il est constitué d’un galvanomètre, d’un solénoïde et d’un aimant. Un circuit électrique est composé par la bobine et le galvanomètre. SACHANT QU’UN COURANT ÉLECTRIQUE CRÉE DU MAGNÉTISME, MICHAEL FARADAY SE DEMANDA SI LE CONTRAIRE ÉTAIT POSSIBLE. SI OUI, EH BIEN FARADAY SERAIT CAPABLE DE PRODUIRE DE L’ÉLECTRICITÉ À VOLONTÉ. INFORMATIONS ET DÉFINITIONS IMPORTANTES Plusieurs grands noms de la science ont tenté avant lui de faire de l’électricité à partir d’un mouvement. Tous ont abandonné, dont André-Marie Ampère. Sept ans de travail ont étés nécessaires avant que Michael arrive à ses fins. GALVANOMÈTRE : Appareil mesurant l'intensité des courants électriques faibles, dont l'aiguille dévie soit vers la droite, soit vers la gauche selon le sens du courant. INTENSITÉ D'UN COURA NT ÉLECTRIQUE : C’est la quantité de charges électriques, les électrons, qui traversent un point d'un circuit par unité de temps. EXPLICATION DU PHÉNO MÈNE D’INDUCTION ÉLECTROMAGNÉTIQUE SOLÉNOÏDE : Est constitué d'un fil conducteur enroulé en plusieurs boucles et parcouru par un courant électrique. L’INSTALLATION QUI A PERMIS AU CÉLÈBRE SCIENTIFIQUE DE FAIRE LE TOUT PREMIER GÉNÉRATEUR EST SIMILAIRE À CELLE-CI. LE TRAJET DU COURANT DANS LE CIRCUIT Solénoïde Le courant traverse le fil enroulé pour ensuite parvenir dans le galvanomètre qui mesura son intensité. Il continue son chemin en retournant dans le fil, et ainsi de suite. Sans modifier le circuit, le courant peut se faire dans les deux sens puisque ce n’est pas une batterie qui l’alimente, mais un aimant. Nous verrons plus loin pourquoi. Aimant SAVAIS-TU? Galvanomètre Michael Faraday a inventé le ballon d’anniversaire tel que nous le connaissons aujourd’hui. Avant, les premiers ballons étaient fabriqués avec une partie de l'intestin du bœuf ou du mouton. 4 Par Raphaël Duval électrons (force électrique) par l’action de son champ magnétique. LA RELATION ENTRE LE MAGNÉTISME ET L’ÉLECTRICITÉ Lorsqu’un solénoïde est alimenté par une batterie, un courant électrique le traverse. Ce mouvement d’électrons crée un champ magnétique à l’intérieur du solénoïde, comme démontré ci-dessous. EXPÉRIENCE SIMPLE À FAIRE Prenez un aimant, et mettez-le près de votre télévision allumée. Vous verrez que les couleurs de l’image Faraday s’est dit, que si un courant électrique traversant un solénoïde produisait un champ magnétique, il serait donc possible de produire un courant électrique en créant un champ magnétique. Pour y arriver, il prit un aimant. Comme vu précédemment, ce dernier possède un champ magnétique. changent. L’image de la télévision est créée par des électrons qui heurtent l’écran par derrière. En approchant l’aimant, les électrons sont déviés de leur trajectoire par le champ magnétique et frappent l’écran aux En introduisant un aimant à l’intérieur d’un solénoïde branché à un galvanomètre (voir l’installation de la page 4), le champ magnétique de l’aimant a un effet sur les électrons libres dans le circuit. Ceux-ci portent une charge négative, donc lorsque l’aimant est en mouvement, ils sont soit repoussés ou attirés par l’aimant créant ainsi un courant électrique. Cependant, il faut que l’aimant soit en mouvement pour qu’il y ait de l’électricité. Sans mouvement, les électrons dans le fil enroulé ne bougent pas non plus et aucun courant électrique n’est produit. C’est le simple principe qu’une force engendre une autre force. Le mouvement de l’aimant (force dynamique) entraine un mouvement des mauvais endroits. C’est pourquoi l’image est altérée. Cette expérience démontre qu’une force magnétique peut agir sur les électrons. Faites attention de ne pas approcher l’aimant trop près de votre téléviseur, car ce dernier pourrait être endommagé. 5 Par Raphaël Duval Observons les différentes situations de l’exprérience de Faraday : On constate qu’il n’y a pas de courant quand l’aimant de bouge pas. De plus, on remarque que lorsque l’aimant se dirige vers la gauche au travers du solénoïde, un courant est produit et l’aiguille dévie vers la droite. En allant vers la droite, il y a aussi du courant, mais l’aiguille va dans l’autre sens. Cela s’explique par le fait que le courant change de sens. Ce type de courant s’appelle le courant alternatif. Étant le principe des alternateurs, qui sont présents partout dans notre vie comme dans les autos et dans les centrales électriques, la découverte de ce courant a ouvert la voie à l’une des grandes révolutions industrielles, l’industrie électrique. Aimant sans mouvement Aimant avec un mouvement vers la gauche Aimant avec un mouvement vers la droite 6 Par Raphaël Duval MÉDIAGRAPHIE « Cosmos : Une odyssée à travers l'univers » épisode 10, diffusé en 2014 par « National Geographic Channel » et produit par Seth MacFarlane et Ann Druyan https://fr.wikipedia.org/wiki/Michael_Faraday#Jeunes_ann.C3.A9es http://agora.qc.ca/dossiers/Michael_Faraday http://www.ampere.cnrs.fr/parcourspedagogique/zoom/faraday/biofarada y/ http://www.inmesol.fr/blog/michael-faraday-le-pere-du-premier-moteurelectrique-1791-1867 https://fr.wikipedia.org/wiki/Royal_Institution http://www.grosvenorprints.com/stock_detail.php?ref=11796 http://www.ampere.cnrs.fr/parcourspedagogique/zoom/courant/rotation/ http://www.engineering-timelines.com/how/electricity/rotations.asp http://www.famousscientists.org/michael-faraday/ http://www.alloprof.qc.ca/BV/Pages/s1176.aspx http://www.alloprof.qc.ca/bv/pages/s1177.aspx « L’Énergie et la Matière » publié en 1996 par les éditions « LarousseBordas » et réalisé par Claude Naudin et Nathalie Bailleux, p.28-29 « Le Monde de la Science » publié en 2004 par les éditions « InTexte » et traduit par Marie-Line Hillairet, Nicolas Blot et Thomas Guidicelli, p.90 à 98 http://www.editionspetiteelisabeth.fr/decouvrir_et_comprendre_les_phenomenes_electriques_25. php http://www.larousse.fr/encyclopedie/animations/Induction_%C3%A9lectroma gn%C3%A9tique/1100197 http://www.lnw.lu/Departements/Physique/personnel/reiyv/documents/2bc/ cours_D03.pdf http://www.hugolescargot.com/article-le-ballon-de-baudruche-une-inventiongonflee.htm 7