La génératrice (7e année)

Contexte technologique Situation problématique Les intempéries de la nature sont imprévisibles et peuvent nuire à la vie des Néo-Brunswickoises et des Néo-Brunswickois. Les tempêtes de neige, de verglas et de pluie peuvent causer des pannes d'électricité pendant quelques minutes ou même plusieurs heures. Puisque la distribution d'électricité se fait à partir de centrales, les gens ont peu de moyens pour avoir de l'électricité lorsqu'il y a une panne.

Contexte technologique Problème Une tempête de neige s'abat sur le Nouveau-Brunswick, et tu es pris(e) dans la maison. Une panne d'électricité se produit alors, et la nuit s'approche rapidement. Malheureusement, tu n'as pas réussi à acheter une génératrice avant la tempête. Comment vas-tu t'y prendre pour générer de l'électricité pour avoir de la lumière pendant la tempête?

Solution technologique Système technologique proposé Parmi les différentes options de systèmes technologiques qui permettraient de générer de l'électricité, dans ce module on te propose de concevoir et de construire une génératrice électrique. D’autres solutions seraient possibles mais la génératrice est l'option technologique la plus répandue. En effet, la grande majorité des systèmes commerciaux de production d'électricité utilisent une génératrice. C'est la composante clé du système de production d'électricité. Il existe quelques méthodes pour créer une génératrice, et tu devras choisir laquelle répond mieux à tes besoins. Par la suite, tu devras présenter ta génératrice et démontrer que ta solution technologique est la meilleure.

Solution technologique Contraintes et exigences de la solution Selon les contraintes et exigences imposées au projet, tu dois construire une génératrice électrique qui pourra allumer une diode électroluminescente (DEL). Ressources matérielles permises une bobine de fil conducteur deux aimants 2 clous 1 jeu LEGO pour la structure 1 diode électroluminescente (DEL)

Amorce de la solution Dans ce module, tu vas découvrir différentes technologies associées à la génératrice électrique. Tu vas également étudier et expérimenter la création d’électricité en construisant une génératrice afin de répondre au besoin de création d'électricité. Le but du module sera de produire de l’électricité grâce à une génératrice afin de te permettre d'allumer des lumières pendant une panne d’électricité. Grâce à ce projet, tu pourras développer tes connaissances et tes habiletés associées aux technologies de production de l'électricité. À la fin de ce module, tu seras en mesure d’identifier les composantes principales d’une génératrice électrique, et de connaître la base des systèmes de productions d'électricité. De plus, tout au long de ton processus de conception, tu pourras apporter des modifications à ta génératrice afin d’optimiser son rendement.

Objectif de ce module Aider aux étudiants à comprendre comment l’électricité est produite. Initiation à l’électricité Initiation au magnétisme

Magnétisme Magnétite: roche trouvée près de Magnésia, dans ce qui est maintenant la Turquie. Cette roche pouvait attirer certains matériaux. On s’en servait pour faire des boussoles. On a longtemps cru que le magnétisme, la propriété des matériaux qui en attirent d’autres, était une propriété fondamentale de la matière. On croyait qu'il était impossible de créer des aimants, et que ça provenait seulement de la magnétite. En 1820, Hans Christian Oersted découvrit, après plusieurs années d'expérience, qu'un courant électrique peut produire des aimants

Magnétisme Après l'annonce en 1820 qu'un courant électrique pouvait produire un champ magnétique, Michael Faraday entreprit une série d'expériences pour démontrer qu'un courant électrique pouvait être produit par attraction magnétique. En 1831, après plusieurs années d'expérience, Faraday réussit à démontrer qu'un aimant pouvait être utilisé pour produire un courant électrique. Une expérience que Faraday aimait beaucoup démontrer était d'insérer un aimant à l'intérieur d'une boucle de fil de cuivre, ce qui faisait déplacer l'aiguille d'un galvanomètre (un appareil pour mesurer le courant électrique).

Expérience de Faraday Boucle de fil de cuivre S Faire bouger l’aimant faisait bouger l’aiguille.

Aimants Les aimants N S N S On coupe en deux N S ou

Lignes de force

Lignes de force Les lignes de force montrent l’effet du magnétisme sur la zone autour de l’aimant. On appelle ceci le champ magnétique. Le champ magnétique représente l’effet de l’aimant sur son environnement.

Génération de l’électricité Pour générer du courant, on a vu qu’il faut faire bouger un aimant dans une boucle de conducteur. On peut aussi faire bouger la boucle de conducteur dans un champ magnétique. Cependant, il faut que le champ magnétique soit à 90° avec la boucle.

Champ et boucle Aucun courant créé Courant créé Aucun courant créé N S Pour le module, il est beaucoup plus simple de faire tourner l’aimant. De façon pratique, on fait tourner la boucle.

Génération de l’électricité Générer de l’électricité N S Fil conducteur Option 1: N S Option 2: Fil conducteur

Génération de l’électricité Il y a un peu de courant créé pour chaque boucle de conducteur. Pour générer beaucoup de courant, il faut beaucoup de boucles de conducteur. Les bobines montrées pour l’expérimentation ont environ 700 tours. Le cœur des bobines est faite d’un matériaux magnétique (un clou ici). Ceci permet d’augmenter considérablement l’effet du champ.

Objectifs clés Pour générer de l’électricité, il faut Faire bouger un aimant dans une boucle de conducteur, ou Faire bouger une boucle de conducteur dans un champ. Plus il y a de boucles, plus il y a d’électricité de créée. Un matériau magnétique dans le cœur de la boucle augmente la création d’électricité.

Le transfert d’énergie Dans les deux cas où l'on créé un courant électrique, on va transformer de l'énergie d'une forme à une autre. L'énergie existe sous plusieurs formes. Lorsqu'on s'en sert, on la transforme d'une forme inutile à une forme utile. La formule de base à se rappeler est: Énergie = Énergie Ceci veut dire que l'énergie n'est pas perdue ou créée; elle est transformée. C'est ce qui se produit dans pratiquement toutes les choses qui se passent dans le monde: l'énergie est transformée d'une forme à une autre. Exemple: les aliments qu'on mange fournissent de l'énergie pour bouger; on transforme l'énergie chimique dans la nourriture à de l'énergie mécanique pour bouger. L'unité utilisée pour calculer l'énergie est le Joule.

Dans le cas de la génératrice, on va transformer de l'énergie mécanique (l'aimant ou le fil qui bouge) à de l'énergie électrique (le courant électrique dans le conducteur). Pour bien comprendre comment faire ceci, il faut en savoir davantage sur les différentes formes d'énergie.

Formes d'énergie Tu connais probablement plusieurs formes d'énergie, comme la chaleur ou l'électricité. Mais savais-tu qu'il en existe plusieurs autres? Énergie potentielle L'énergie potentielle est reliée à la gravité; c'est l'énergie que possède un objet à cause de sa hauteur. Plus grande énergie potentielle Plus petite énergie potentielle Plus grande énergie potentielle Plus petite énergie potentielle

L'énergie potentielle est utilisée partout; par exemple, dans les barrages hydro-électriques pour produire de l'électricité. L'équation utilisée pour calculer l'énergie potentielle est: où m est la masse de l'objet, g est la constante gravitationnelle (la gravité), et h est la hauteur de l'objet. Comme tu peux voir, on peut augmenter l'énergie potentielle en augmentant la masse d'un objet, ou en augmentant sa hauteur. La constante gravitationnelle est constante (comme le dit son nom). On peut donc faire quelques observations:

Si deux objets ont la même masse, celui qui est le plus haut a plus d'énergie potentielle. Si deux objets sont à la même hauteur, celui qui est le plus lourd (qui a la plus grande masse) est celui qui a le plus d'énergie potentielle. La masse et la hauteur ont le même impact lors du calcul de l'énergie potentielle.

Énergie cinétique L'énergie cinétique est l'énergie que possède un objet à cause de sa vitesse. L'équation utilisée pour calculer l'énergie cinétique est: où m est la masse de l'objet, et v est sa vitesse. En observant cette équation, on peut tirer quelques conclusions importantes: Si deux objets se déplacent à la même vitesse, celui qui est plus lourd possède plus d'énergie cinétique. Si deux objets ont la même masse, celui qui se déplace le plus rapidement des deux possède plus d'énergie cinétique. Cependant, la vitesse est plus importante que la masse dans le calcul de l'énergie cinétique.

Énergie électrique L'énergie électrique (ou électricité) est une forme bien connue d'énergie. On s'en sert avec toutes sortes d'appareils à la maison: le four, le grille-pain, l'ordinateur, etc. Il y a deux composantes importantes à l'électricité: la tension, exprimée en Volts, et le courant, exprimé en Ampères.

La tension représente en quelque sorte l'énergie potentielle électrique. C'est une mesure de la capacité d'une source électrique de créer un courant électrique. L'unité de la tension est le Volt; exemple: la tension aux prises électriques dans les maisons est 120V, ou des piles de 1.5V dans un lecteur MP3. Le courant représente en quelque sorte l'énergie cinétique électrique. C'est un peu comme de l'eau qui se déplace dans des tuyaux. L'unité du courant électrique est l'Ampère.

La chaleur Tu connais certainement la chaleur. C'est l'énergie utilisée pour se réchauffer l'hiver. L'énergie calorifique (qui veut dire chaleur) est présente partout. Par exemple, si tu frottes tes mains ensemble rapidement, tu produiras de la chaleur. Souvent, la chaleur est une forme indésirable d'énergie: les pertes dans les systèmes (l'énergie qui est perdue) sont de la chaleur.

Énergie solaire C'est l'énergie produite par le soleil. Les rayons de lumière du soleil contiennent de l'énergie. On l'utilise souvent pour produire de l'électricité, à l'aide de panneaux solaires.

Énergie chimique L’énergie chimique est l’énergie interne des différentes substances de la Terre. Un exemple, c’est le bois. On peut faire brûler du bois, qui permet de créer de la chaleur. Un autre exemple est la gazoline, utilisée comme carburant dans les voitures.

La puissance Une dernière chose dont il faut discuter est la puissance. On confond souvent puissance et énergie, mais ce n'est pas la même chose. La puissance, c'est la quantité d'énergie dépensée en un intervalle de temps: Donc la puissance, c'est des Joules / secondes. L'unité de mesure de la puissance, c'est le Watt (1 Watt = 1 Joule / seconde). Selon l'équation précédente, on peut faire certaines observations: Si deux systèmes consomment la même énergie, celui qui utilise l'énergie en moins de temps a une plus grande puissance. Si deux systèmes fonctionnent pendant le même intervalle de temps, le système qui a la plus grande puissance est celui qui aura dépensé le plus d'énergie.

Donc, plus on dépense d'énergie rapidement, plus on a de puissance Donc, plus on dépense d'énergie rapidement, plus on a de puissance. Par exemple, les voitures les plus puissantes sont celles qui ont un plus gros moteur (plus de kW: un kW = 1000 W). Un autre exemple: deux personnes soulèvent un poids à la même hauteur. La personne qui soulève le poids plus rapidement, c'est celle qui a plus de puissance.