Questionnement/activité

Analyse cafetière électrique
Solutionnaire
Document produit par Djamel Bennada, formateur-accompagnateur à la CS Des Affluents et
Daniel Lalande , conseiller pédagogique à la CS de la Seigneurie-des-Mille-Îles
1- Comment s’appelle la force qui pousse les bulles de vapeur à
monter dans les conduits de la cafetière?
La poussée d’Archimède
2- Définir la nature de la liaison entre la barre de support et l’élément
chauffant.
Indirecte et démontable puisque la barre est maintenue en place au moyen de deux vis
ancrées dans le boîtier de la cafetière. Complète, car aucun mouvement n’est prévu entre
les pièces. Rigide car aucune déformation n’est prévue entre les pièces
3- Pourquoi le témoin lumineux et l’élément chauffant sont-ils placés en parallèle dans le
circuit électrique de la cafetière?
Pour permettre au témoin lumineux de fonctionner et indiquer la mise en marche de
la cafetière malgré l’arrêt du fonctionnement de l’élément chauffant par
l’interrupteur thermique.
4- D’après vous, un élément chauffant doit-il avoir une forte ou une faible résistance?
Pourquoi?
Une faible résistance pour garder une intensité maximale (Pj = RI2)
5- Quel est le dispositif qui maintient le café à une température constante? Expliquez son
fonctionnement.
Ce dispositif est l’interrupteur thermique. Il est composé d’un petit disque en acier
bombé, d’une tige-poussoir et de contacts platinés. Lorsque le disque est chauffé à
une température déterminée, le disque se déforme, pousse sur la tige qui, à son tour,
pousse sur un contact pour ouvrir le circuit. Lorsque la température baisse, le
disque reprend sa forme originelle, les contacts se retouchent et le circuit est à
nouveau fermé.
6- L’interrupteur thermique d’une cafetière est défectueux. À mesure que l’eau s’évapore
du conduit de l’ensemble chauffant, ce dernier voit sa température augmenter. Que va-t-il
se produire?
Le thermo-fusible provoquera une coupure du courant causée par la surchauffe. De
cette manière, on évite les risques d’incendie.
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Daniel Lalande , conseiller pédagogique à la CS de la Seigneurie-des-Mille-Îles
7- Quelles sont les caractéristiques de l’élément chauffant susceptibles d’augmenter la
quantité de chaleur servant à chauffer l’eau?
L’élément chauffant qui devra permettre de diffuser un maximum de chaleur, devra
justifier l’usage d’un matériau à faible résistivité et aux dimensions conséquentes
(longueur, section) selon la formule (R = ρL/ A) intégré dans un élément caloporteur dont
la forme et le matériau maximise le transfert de chaleur vers l’eau.
8- Dessiner le schéma du circuit électrique de la cafetière en prenant soin de nommer les
composants.
240 o F
216 o F
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Daniel Lalande , conseiller pédagogique à la CS de la Seigneurie-des-Mille-Îles
9- Une cafetière électrique comporte sur sa fiche signalétique, les indications suivantes :
Type 4650 HD
120V~ 60Hz
650W
a) Dans le tableau ci-dessous, donnez les noms des deux grandeurs physiques et des
unités associées à 120 V et 650W.
Donnée
120 V
650W
Nom de la grandeur
Tension
Puissance
Nom de l’unité
Volt
Watts
b) Calculer l'intensité I du courant qui alimente la cafetière en fonctionnement.
Arrondir le résultat au centième près.
P = UI
I = P/U = 650W ÷ 120V = 5, 42 A
c) Calculer l'énergie E (en KWh) consommée par la cafetière, si elle est en fonction
pendant 5 minutes (durée de l’infusion). Arrondir le résultat au centième près.
E = PT = 650W x 5/60 h = 54,17 Wh = 0,05 KWh
d) Sur l’élément chauffant de la cafetière, on lit l’inscription
suivante: 120V; 600W.
Calculez l’intensité du courant ainsi que la résistance de
l’élément chauffant. Arrondir le résultat au centième près.
P = UI
I = P/U = 600W ÷ 120V = 5,00 A
P = RI2
R = P/ I2 = 600W ÷ (5A) 2 = 24Ω
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Daniel Lalande , conseiller pédagogique à la CS de la Seigneurie-des-Mille-Îles
Suggestion d’activités supplémentaires pour l’enseignant
Activité 1 :
Introduire une défectuosité dans le circuit électrique et demander aux élèves de trouver le
composant responsable.
Suggestions : -
Placer un thermofusible défectueux dans le circuit
Placer un commutateur défectueux dans le circuit
Placer un interrupteur thermique (toujours ouvert) dans le circuit
Placer un témoin lumineux défectueux dans le circuit
Placer un témoin lumineux en série avec le pseudo élément chauffant
Placer un élément chauffant (pseudo) défectueux dans le circuit
Prendre une source de courant défectueuse
Activité 2 :
Fournir aux élèves les composants électriques et leur demander de reproduire le circuit de
la cafetière
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Autres questions possibles (Cahier de l’élève)
- Qu’est-ce qui empêche les bulles de remonter dans le réservoir d’eau froide?
Le clapet anti-retour
- Pourquoi l’eau chaude circule-t-elle? Expliquez par quels moyens (principes, solutions
technologiques) on amène l’eau à passer du réservoir d’eau froide au pichet. Appuyez
votre explication à l’aide de principes physiques, de caractéristiques de la matière et
de la terminologie appropriée aux différentes composantes de la cafetière.
Exemple de réponse :
L’élément chauffant porte l’eau à ébullition. Des bulles crées par la vapeur d’eau sont
alors formées dans la conduite adjacente à l’élément chauffant. Ces bulles ont une masse
volumique inférieure à celle de l’eau et, grâce à la poussée d’Archimède, sont
entraînées vers le haut. La pression causée par la colonne d’eau contenue dans le
réservoir d’eau froide force les bulles à emprunter la direction opposée et à se diriger
vers le cône de filtration. Grâce à la force gravitationnelle, l’eau tombera dans le cône
de filtration et trouvera son chemin vers le pichet en absorbant au passage la saveur et
l’arôme des grains de café moulus. À un certain moment, le niveau d’eau du réservoir
d’eau froide aura atteint un seuil où la pression générée par sa colonne d’eau sera égale à
celle générée par la colonne d’eau du circuit de l’eau chaude. À partir de ce moment, les
bulles commenceront à emprunter la direction du réservoir d’eau froide. Le clapet antiretour, entrainé par la poussée exercée par les bulles, bloquera la voie et empêchera
celles-ci de remonter dans le réservoir. À l’opposé, le vide causé par la circulation de
l’eau et des bulles vers le cône de filtration entraînera le reste de l’eau, emprisonnée par
les bulles, en direction du cône de filtration, seule voie de sortie possible.
- En préparant son café, M. Bertrand constate que quelque temps après avoir mis sa
cafetière en fonction, de la vapeur s’échappe de son réservoir d’eau froide. De plus, la
cafetière semble mettre plus de temps qu’à l’habitude pour préparer le café et ce dernier
a un goût plus prononcé. Quelle peut en être la raison?
Exemple de réponse :
Si la vapeur s’échappe du réservoir d’eau froide, c’est probablement parce que le
clapet anti-retour est coincé en position « ouverte ». Le délai entre la mise en
fonction de la cafetière et le moment où la vapeur s’échappe s’expliquerait par le
temps nécessaire pour que la pression générée par la colonne d’eau diminue en
raison de la baisse du niveau d’eau dans le réservoir. L’évaporation de l’eau par le
réservoir d’eau froide a pour effet de diminuer la quantité d’eau qui devra passer
par le filtre. Ceci pourrait causer la différence de goût puisque le ratio « eau de
percolation »/ café moulu s’en trouverait affecté.
- Sur la cafetière, on retrouve deux thermofusibles placés en série. Pourquoi? Proposez
une explication :
Le fabriquant porte une confiance limitée en ces composantes?
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Daniel Lalande , conseiller pédagogique à la CS de la Seigneurie-des-Mille-Îles