Université d'été « Enseigner les sciences à l'école primaire »

Technologie et électricité Le moteur électrique

 

Animateurs : Bernard Gillot, École Viala à Saint-Pierre-des-Corps, académie d'Orléans-Tours et Michel Vignes, IUFM de Montpellier
Rapporteur : Antoine Warnier, École d'Estienne d'Orves à Montreuil, académie de Créteil

Organisation de l'atelier

Cet atelier de technologie s'intéresse à la fabrication d'un moteur électrique.

Comme les autres ateliers, il a comporté deux sessions qui se sont déroulées de façon semblable sauf un point important exposé plus loin.

L'emploi du temps fut le même pour les deux sessions : 1h 30 de manipulations par groupe de 3 ou 4 participants, première synthèse collective d'environ 30 minutes, encore 1h à 1h 30 de manipulations, puis discussion générale et synthèse. La première session a pris le temps de construire trois séquences pour une classe de 3ème cycle, reproduites ci-après.

L'accueil

La salle est préparée avec 5 tables de 4 places ; sur chaque table : 2 moteurs, des câbles de liaison, une plaque de styrodur (matériau isolant), une boîte d'épingles, des piles de 4, 5 V.

Sur une autre table, sont présentés deux jouets utilisant un moteur bouchon avec une hélice aérienne : un bateau et un manège en rotation sur pivot. Une réplique simplifiée du " moteur " de Henry est exposée en fonctionnement.

Une documentation est mise à disposition : des extraits d'une histoire des techniques relatifs à l'électricité industrielle, un ouvrage de physique niveau enseignement supérieur sur l'électricité et l'électromagnétisme, un documentaire " La fée électricité " et des documents pour enfants.

(Il est à noter que cette documentation ne sera pas utilisée comme ressource par les stagiaires).

Mise en situation des stagiaires

Les deux sessions débutent par un tour de table qui permet à chaque participant de préciser brièvement pourquoi il a choisi cet atelier.

L'animateur précise qu'il ne s'agit pas de simuler le comportement des élèves du primaire ; il propose aux stagiaires de démonter des moteurs du commerce (deux par table de quatre) pour répertorier leurs éléments :

" Que faut-il pour faire un moteur ? Comment fonctionne-t-il ? "

Puis il propose de tenter d'en fabriquer un avec les " moyens du bord ". Ceux-ci sont étalés sur trois tables sur un côté de la salle : matériaux variés, fils et accessoires électriques, outillages ainsi que diverses machines électromagnétiques " artisanales " assez mystérieuses pour un œil non averti.

(Pour la première session, matériaux et outillage ont été présentés brièvement).

Sur 28 stagiaires, 2 seulement possèdent des connaissances en électricité applicables au sujet de façon efficace (ces deux stagiaires s'imposeront de rester spectateurs), 5 stagiaires déclarent ne rien y connaître.

Le travail des groupes

L'activité de démontage absorbe tous les groupes et se prolonge par des discussions à l'intérieur de chaque groupe, puis entre groupes, concentrées pour l'essentiel sur la question des enroulements de fils électriques du rotor : comment sont-ils faits et comment se combinent les contacts électriques ?

Pour répondre, certains groupes vont jusqu'à dérouler entièrement le fil enroulé sur le rotor et constatent que ce qui parait être trois bobines distinctes est constitué d'un seul fil continu, soudé à intervalles réguliers à trois contacts rassemblés sur l'axe du rotor. Un groupe commence à essayer de dessiner un schéma, mais un animateur l'arrête, dénonçant le risque de confusion pour ceux qui ne voient pas en trois dimensions.

Remarque : dans ce compte rendu, le vocabulaire technique ou scientifique est celui de l'observateur ; les stagiaires ont inventé leur propre vocabulaire sans tentative organisée d'unification, les animateurs évitant d'imposer le leur en début de séance.
Le vocabulaire spontané des stagiaires s'est ajusté dans les échanges en petit groupe et en fin de séance un dessin en 3D au tableau précisera le vocabulaire de référence : bobine, balais, collecteurs ou commutateurs, rotor, stator, aimants permanents.

Les animateurs interviennent auprès de chaque groupe en montrant un moteur artisanal dont le rotor est un bouchon de liège ordinaire (moteur bouchon) et en le faisant fonctionner. Ils laissent le moteur sur la table. Ils montrent également d'autres montages fondés sur des propriétés magnétiques ou électromagnétiques.

Un animateur intervient une fois à la première session du groupe en rappelant la consigne de fabrication et l'inutilité, à ce stade, d'un effort d'explication verbal ou dessiné.

En voyant le moteur bouchon, 6 des 8 groupes se lancent dans la fabrication d'un rotor bouchon. Trois groupes (désignés ci-après autonomes) ont choisi de privilégier " Comment ça marche ? " plutôt que " Comment faire ? " (voir discussion ci-dessous).

Dans les 6 groupes, le travail collectif permet de résoudre peu à peu les questions de fabrication. Trois problèmes se retrouvent dans chaque groupe :

  • Quelle forme donner à l'enroulement du fil électrique sur le bouchon ? (sans difficulté pour les autonomes). Le rotor du moteur du commerce est en trois parties ; on tente d'enrouler le fil sur le bouchon en constituant soit un enroulement (selon le modèle de l'animateur), soit deux enroulements (perpendiculaires l'un à l'autre), ou encore on enroule le fil sur le bouchon comme sur une bobine de couture (en se démarquant du modèle). Les 3 groupes qui ont testé cette troisième solution ont quand même installé l'axe mécanique du rotor selon l'axe géométrique du cylindre de liège (comme sur le modèle), montrant leur totale incompréhension des forces à l'œuvre dans le moteur. Un des trois groupes a corrigé son montage après repérage des pôles de la bobine réalisé sur l'indication d'un animateur.
  • Le courant ne passe pas ! (le fil, verni, a l'air dénudé alors qu'il est couvert d'un isolant). Tous les groupes sont tombés dans ce piège et en sont sorti sur indication de l'animateur qui a interrompu l'analyse du comportement, paradoxal pour un électricien, des groupes : si le fil est dénudé (hypothèse conforme à l'aspect du fil), alors les enroulements effectués sont en court-circuit ! Oui, mais les moteurs du commerce et ceux de l'animateur sont enroulés sans précaution supplémentaire, donc nous pouvons le faire nous aussi ! Dans le début de débat, plusieurs stagiaires ont montré leur ignorance de la notion de court-circuit, qui ne sera pas élucidée.

Enfin, obstacle insurmonté pour les six groupes, même avec les modèles, l'orientation du collecteur. Pour ce dernier problème, il faut que les animateurs attirent l'attention des stagiaires sur ce point pour leur permettre d'avancer.

Exception faite de ces trois points, les huit groupes rencontrent de nombreuses difficultés de fabrication résolues soit par imitation du modèle, soit par essai et erreur, soit par discussion/réflexion.

Liste (non exhaustive) des problèmes résolus :

  • percer un bouchon cylindrique selon son axe,
  • soutenir l'axe sans le coincer,
  • choisir un matériau support,
  • créer des contacts électriques entre le rotor et la pile,
  • dénuder le fil verni,
  • supporter les aimants fixes,
  • changer le sens de rotation,
  • accélérer ou ralentir.

D'autres problèmes sont soulevés qui restent plus ou moins en suspens :

  • rôle du métal dans le rotor,
  • influence de la distance entre aimants,
  • puissance du moteur,
  • griller un moteur,
  • accoupler un moteur à une autre machine (alignement).

De façon générale, les animateurs interviennent souvent auprès d'un groupe ou l'autre pour débloquer et accélérer le processus de fabrication et les mises au point finales. Les échanges entre groupes contribuent aussi à la progression de chacun.

Quant aux trois groupes qui cherchaient " Comment ça marche ? ", l'un des intervenants leur a montré (sans commentaire) qu'un aimant plat posé sur une bobine saute en l'air quand on alimente la bobine dans un certain sens. Ils en ont déduit après tâtonnements qu'une bobine alimentée se comporte comme un aimant et que le mouvement du moteur est le résultat de l'interaction magnétique entre bobine et aimants.

Une réflexion sur le fait que ce mouvement continue au lieu de s'arrêter au premier demi-tour a amené l'un des trois groupes à définir le rôle du collecteur et à le positionner correctement.

Dans la première session, un groupe autonome a consacré l'essentiel de son activité à élaborer du sens pour comprendre puis s'est organisé pour le partage des tâches de fabrication afin de réaliser très rapidement un moteur en fin de séance.

Témoignage : le parcours d'un groupe

Voici la description détaillée de l'itinéraire d'un de ces deux groupes (retranscrite par lui, avec son vocabulaire) :

Q(uestion) : qu'y a-t-il dans le moteur ?
Exp(érience) : démonter le moteur.

Q : comment la tige tourne dans un sens ou l'autre selon que le courant arrive par une borne ou l'autre ? Comment le courant fait tourner la tige ?
Obs(ervation) : 2 aimants sur la paroi !
Exp : les démonter.
Obs : ces 2 aimants sont montés de façon qu'ils aient une polarité inverse.

Q : quel est le rôle des plaques métalliques de la tige centrale ?
Hyp(othèse) : ces trois plaques autour des bobines deviennent des aimants et cela joue avec les aimants de la paroi.
Exp : poser une aiguille dessus : rien. Brancher les deux pôles et mettre une aiguille.
Obs : aimant quand c'est branché dans un sens, mais non dans l'autre.
2ème exp : la même, mais cela ne marche plus, dans aucun sens.
Exp : test de la pile : elle est morte !
3ème exp : avec une nouvelle pile.
Obs : les plaques sont aimantées, quel que soit le sens du courant.
Obs (donnée par l'animateur) : bobine avec un aimant, il se retourne quand on le met dans un certain sens.

Concl(usion) : l'électricité du fil qui alimente la bobine passe dans l'aimant, mais il doit être orienté dans un sens convenable.

Exp (suite intervention de l'animateur) : si on retourne la bobine et qu'on met l'aimant sur le plastique (et non sur le fil d'alimentation), cela marche encore.

Concl : le plastique est conducteur ( ! ).

Nouvelle hyp : ce n'est pas un passage d'électricité dans l'aimant, mais la réaction de deux aimants. La bobine devient aimant quand le courant la traverse.
Contre exp : passage du courant dans un fil simple et contact avec l'aimant précédent (assez gros)
Obs : cela ne marche plus.

Concl : ce n'est pas le fil qui intervenait précédemment, mais c'est la bobine qui devient aimant.

Hyp : quand le courant passe, la bobine s'aimante ; elle est repoussée par un aimant de la paroi et tourne dans un sens. Quand on inverse le courant, cela va dans l'autre sens.
Hyp : la polarité de l'aimant/bobine s'inverse avec le sens du courant.
Exp : changer le sens du courant ; avec l'aimant, on voit que c'est repoussé ou attiré.
Obs : hypothèse vérifiée.

Q : pourquoi la bobine du moteur tourne dans les deux sens ?
Exp : une aiguille de boussole entre deux aimants s'oriente différemment selon l'orientation des aimants. Repérer la polarité des aimants de la paroi.
Exp sur un moteur bouchon fourni par l'animateur : quand on inverse les deux aimants, la bobine change de sens de rotation.
Hyp : on inverse un champ magnétique entre les deux aimants : cela attire ou repousse la bobine.

Q : pourquoi tourne-t-elle et ne se fixe-t-elle pas ?
Obs du moteur bouchon : il y a des balais qui ne sont pas toujours en contact avec la bobine : le courant ne passe pas toujours. Une fois sur deux, le contact s'inverse par rapport aux pôles de la pile, d'où inversion périodique de polarité de l'aimant-bobine. C'est périodiquement repoussé (ça tourne dans un sens) puis neutre, puis attiré… Le mouvement est entretenu.

Expérience : construire le moteur bouchon pour vérifier que les deux bouts de bobine sont reliés aux deux bornes de pile et s'inversent périodiquement.

Discussions et bilan de l'atelier

Avec les stagiaires de la première session, la discussion a porté essentiellement sur l'orientation donnée au travail par les animateurs et, en général, sur les conséquences des interventions du maître dans une démarche expérimentale menée avec des élèves.

L'orientation donnée, résolument technologique, privilégie les problèmes de fabrication : comment choisir les matériaux à utiliser, comment les façonner, comment les fixer les uns aux autres. La capacité à copier les modèles proposés, à déceler les différences entre ce modèle et la réplique que fabrique le groupe est un facteur de réussite important. Le seul critère de réussite est le fait que le moteur fabriqué soit capable de tourner. Par contre, on ne cherche pas à faire acquérir un vocabulaire " officiel " ni à expliciter les notions et concepts de l'électromagnétisme mis en jeu dans le moteur bouchon. Le manque de temps est une des raisons de ce parti pris. Certains stagiaires ont constaté qu'ils se sentent mieux dans les manipulations que dans les spéculations et avancent que, pour entraîner tous les élèves, cette dimension est indispensable. D'autres énoncent une frustration plus ou moins prononcée du fait de n'avoir pas poursuivi un projet de compréhension scientifique, sans négliger pourtant la part d'empirisme que contient la démarche scientifique. Ils seraient partant pour une deuxième partie plus conceptuelle. Mais tous se retrouvent pour noter l'intensité de la séance et de leur engagement personnel, intensité et engagement provoqués par le thème, l'objectif et les moyens choisis par les animateurs (j'ai été amené à me poser des questions sur quelque chose qui ne m'intéresse pas ou encore j'ai commencé à vouloir comprendre quand j'ai vu que le moteur tournait avec un seul aimant).

La deuxième partie de cette première discussion part du constat de l'impact des interventions des animateurs : ces interventions sont immédiatement suivies d'un effet sur l'activité des élèves/stagiaires. Ce peut être l'arrêt des hésitations démotivantes ou des réflexions créatrices de sens. Ce peut être la relance des activités de fabrication ou de manipulation expérimentale. Comment choisir le moment et le moyen de l'intervention ? Les principes de La main à la pâte voudraient que les élèves explicitent leurs hypothèses, argumentent, conçoivent et réalisent leurs expériences. Mais de trop longs tâtonnements sont démotivants : les interventions du maître servent au minimum à relancer l'activité avant que la motivation ne s'essouffle. Elles aboutissent aussi à orienter l'activité dans le sens du projet (explicite ou implicite) du maître. Car le projet du maître n'est pas a priori celui des élèves mais les progrès qu'observe le maître sont là où ces deux projets se rencontrent.

D'autres remarques

Quel sens l'élève donne-t-il à l'activité que le maître lui fait faire ? Peut-on sans dommage confronter les élèves à des notions qu'ils ne peuvent comprendre (le champ magnétique par exemple) ? Ils peuvent au moins éprouver l'interaction de deux aimants. Comment déceler et corriger contresens et faux-sens ?

Comment choisir les sujets pour ce nouvel abord des sciences et techniques ? Les programmes sont (heureusement ! ) trop vagues et les enseignants ne sont pas omniscients. Un des rôles des didacticiens n'est-il pas d'élaborer des propositions de sujets au programme ?

Avec les stagiaires de la deuxième session, les animateurs ont repris la question des concepts et notions scientifiques mises en jeu. Ils ont laissé deux groupes " autonomes " poursuivre leur démarche exploratoire. Au cours de la synthèse finale, ils ont commencé l'élaboration d'un tableau des notions et concepts mis en jeu, tant sur le plan technologique que sur celui des sciences physiques. Il est apparu, entre autre, que si l'électromagnétisme constitue la discipline centrale du sujet traité, la mécanique avait aussi une part importante (le " balourd "). Dans cette perspective, le critère de réussite central et quasi unique de la première session (" que le moteur tourne ! "), n'était plus suffisant.

Le point de vue d'un didacticien

Le but affiché des activités est la fabrication d'une maquette fonctionnelle de moteur électrique à courant continu. Une fois celui-ci énoncé, la situation de départ est le démontage d'un petit moteur électrique du commerce.

La richesse du projet réside en grande partie dans la complexité de l'objet à réaliser. Il ne peut s'agir de la mise en œuvre d'une démarche unique. L'option privilégiée par l'animateur conduit à une intrication étroite des diverses démarches possibles pour la fabrication d'un objet technique :

  • conception de l'objet ;
  • fabrication à partir d'un objet existant ;
  • fabrication à partir d'une démonstration.

Enfin de nombreux détours en compréhension émaillent l'ensemble du processus :

  • recherche d'explication sur le " comment et pourquoi ça marche " ;
  • recherche des principes sous-jacents.

Le moteur du commerce ne peut, bien entendu, être reproduit à l'identique. Son démontage conduit à de nombreuses questions sur les phénomènes en jeu, sur les principes de fonctionnement et sur les conditions du fonctionnement. Il débouche également sur l'établissement, plus ou moins explicite selon les groupes, d'un cahier des charges en vue de la réalisation. On est dans une phase de conception de la maquette.

La mise à disposition d'une maquette de " moteur bouchon " réalisée par l'animateur permet de débloquer bon nombre de situations et de relancer l'activité. Les stagiaires se lancent alors dans un processus de fabrication à partir de l'observation d'un objet existant, en introduisant parfois volontairement des modifications significatives.

Certains aspects de la fabrication - bobinage, mise en place du collecteur, réalisation des balais - suppose des " tours de main " techniques que ne possèdent pas les stagiaires. L'intervention de l'animateur prend alors la forme d'une démonstration. La fabrication peut ainsi se poursuivre par imitation et reproduction du geste.

Au-delà du désir naturel de comprendre " Comment et pourquoi ça marche ? ", la réalisation en elle-même, dans le positionnement des divers éléments de la maquette les uns par rapport aux autres, suppose la compréhension de quelques phénomènes en jeu dans le fonctionnement. Des détours, avec mise en œuvre de petits montages expérimentaux, introduits par l'animateur au fil des besoins, sont alors nécessaires.

Finalement, tous les groupes aboutissent à la construction d'une maquette de moteur qui fonctionne et réalisent quelques tests modifiant les conditions du fonctionnement (nombre des aimants, éloignement des aimants par rapport à la bobine, inversion des aimants, inversion de la pile…). Pour atteindre ce résultat, les parcours sont extrêmement divers. La gestion d'une telle situation d'apprentissage suppose une grande différenciation dans les modalités de guidage de chaque groupe par l'animateur.

Propositions de séquences pour les élèves

Trois séquences sont décrites ci-dessous :

Les moteurs électriques dans la vie quotidienne

  • Séquence en deux séances intégrées dans un module ayant pour thème le moteur électrique. Elle peut s'adresser à des élèves de cycle 2 ou 3.
  • Elle peut servir de liaison avec les parents puisqu'elle entraîne des recherches à la maison.
  • Elle ne nécessite pas de matériel particulier pour l'élève. Le maître peut prévoir quelques appareils électriques usuels, dont certains sans moteur : batteur, sèche-cheveux, ventilateur, magnétophone, lampe, radio…

1ère séance

Préalable . Collecte d'informations : " A la maison, fais la liste de tous les appareils dont tu ne pourrais pas te servir en cas de panne de courant électrique ".

Mise en commun en classe : liste des appareils.

Nouvelle consigne : " Classez ces appareils ", critères de classement libres, travail en petits groupes.

Résultat : mise de côté des tris non pertinents pour le sujet ; le maître privilégie ou propose le tri des appareils avec/sans moteur.
NB : ici, le critère de reconnaissance d'un moteur, c'est le bruit, facile à identifier pour l'enfant.

Question du maître: " Y a t'il une autre façon de savoir qu'un appareil contient un moteur électrique ? "

Réponse attendue : " Oui, quand il y a apparition d'un mouvement ou mise en mouvement ".

Vérification : le maître peut proposer la visualisation du moteur par retrait du carter quand cela est possible et/ou par mise en route.

Organisation d'un nouveau classement . L'activité se déroule en petits groupes, avec réalisation d'une affiche faisant apparaître les catégories (titres). Chaque groupe désigne un rapporteur pour proposer au groupe classe ses critères et son tri. Synthèse collective (groupe classe).

Trace individuelle : éléments de la recherche sur le cahier d'expériences.

Petits groupes : tri et essai d'affiche.

Groupe classe : résultat de la synthèse.

Rédaction collective de la définition d'un moteur (après rappel oral) : " Un moteur transforme l'énergie électrique en mouvement ".

Evaluation/consigne en fin de séance : " Pour la prochaine fois, apporter des objets fonctionnant avec un moteur électrique " (objets usuels, à pile ou non).

Le maître pourra prévoir d'apporter un tourne-broche, par exemple.

2ème séance

Rappel oral rapide du travail et des conclusions de la 1ère séance, par les élèves.

Présentation des appareils apportés (élimination éventuelle de ceux qui ne comportent pas de moteur électrique). Validation par référence à la définition du moteur électrique trouvée ensemble.

Question relance du maître : " Quelles sortes de mouvements obtient-on ? " (donnez pour chaque appareil un verbe décrivant/caractérisant le mouvement).

Réponses attendues : faire avancer, tirer, tourner, aller et venir… (travail en petit groupe avec répartition des tâches/organisation).

Report au groupe classe : rangement dans un tableau selon le mouvement obtenu.

Nouvelle consigne éventuelle du maître :

  • soit " Etudiez (essayez d'observer et de comprendre) comment est produit ce mouvement, comment est transmis le mouvement du moteur. " Travail en petits groupes, éventuellement démontage d'un appareil. Observation, dessin, dénomination des pièces dans le cahier d'expériences.
  • soit " Quel est le rôle des piles ? " (dans les appareils qui en contiennent).

Comment cela fonctionne-t-il ?

Objectif :

faire émerger/découvrir les éléments invariants essentiels d'un moteur électrique (ceci peut s'intégrer dans un projet de réalisation d'objets technologiques comportant un moteur).

Connaissances préalables :

  • magnétisme : attraction/répulsion, effet à distance, polarité ;
  • notion de circuit ouvert/fermé.

Connaissances mises en jeu :

mouvement produit à distance par des aimants, bobine électrique = aimant.

Guidages possibles, à prévoir tout au long des séances :

  • par d'autres expériences ;
  • par des documents ;
  • par des objets " didactiques " (ex : deux aimants à manivelle sur un bâti) ;
  • par une personne ressource.

Trois entrées possibles pour l'activité (sans hiérarchie) :

Observer, analyser

Observer plusieurs moteurs différents et plusieurs maquettes.

Lister les éléments qu'on retrouve dans les différents moteurs, mettre en correspondance ces éléments.

Faire agir (prévoir plusieurs séances)

Questions proposées :

  • Comment peut-on faire tourner plus vite, moins vite ?
  • Comment arrêter la rotation ?
  • Comment inverser le sens de rotation ?
  • Est-ce que le diamètre/la longueur du fil ont une importance ? Comment prouver ?
  • La nature du noyau a-t-elle une importance ?

Construction progressive par la manipulation des variables de l'expérience et des invariants.

Représenter

Après une phase d'appropriation/observation/utilisation, faire dessiner le moteur, confronter les dessins.

Les analyser pour faire émerger :

  • les erreurs ;
  • les oublis ;
  • les différences ;
  • les ressemblances.

Comment cela se fabrique-t-il ?

Réalisation d'une maquette d'un moteur. Cycle 3

Présentation

Cette séquence doit avoir lieu, pour être pleinement efficace, après les séquences précédentes, les élèves connaissant les usages possibles des moteurs et leur fonctionnement. D'autre part, il est préférable qu'ils aient déjà manipulé des outils et des matériaux.

Tâche proposée par le maître : " Fabriquer des maquettes de moteur électrique capables de faire tourner une hélice, un disque, etc., pour les présenter dans une exposition à destination d'autres classes ".

Compétences visées :

  • Langue : savoir utiliser un vocabulaire adapté à bon escient, savoir décrire un objet, une tâche, savoir écrire un compte rendu clair et précis.
  • Transversales : savoir argumenter un choix et mener une réalisation à son terme.
  • Technologiques : être capable d'analyser un objet technique, d'isoler une variable et de mettre en œuvre un protocole de vérification, présenter des résultats et les interpréter, choisir les solutions techniques les mieux adaptées au cahier des charges.

Préparation de la séquence

La mise en œuvre de cette séquence nécessite une préparation assez importante :

  • fabriquer au préalable au moins trois maquettes de moteurs différents (Cf. maquettes réalisées par B. Gillot sur http://perso.wanadoo.fr/bernard.gillot) ;
  • préparer un ou plusieurs bancs d'essai ;
  • réunir les " invariants " : bobinage axe (1), paliers (2), assise (1), porte aimants (2), fil électrique, balais (2), collecteur à deux bornes ;
  • préparer la salle : espace, matériel adapté ;
  • définir les critères de validité de l'objet :
  • mouvement : régulier, de manière équilibrée, sans vibration,
  • structure : solidité, transportabilité, caractère fonctionnel.

Le travail des élèves

  • Observer les maquettes.
  • Rappeler ce qui caractérise un moteur (réinvestissement des connaissances pour vérification).
  • Relever les points communs des trois moteurs (maquettes).
  • Définir les choix de solutions et le choix de matériaux en fonction du cahier des charges.
  • Etablir la liste du matériel nécessaire.
  • Fabriquer.
  • Evaluer la fabrication : ça tourne ? Est-ce utilisable conformément au cahier des charges ?

Proposition d'organisation pédagogique

  • Travail en alternance : présentation, analyse et synthèse en grand groupe.
  • Travail de définition, de construction, de vérification en individuel ou petit groupe (préconisation : par 2 et bien choisis ! ).
  • Durée du projet : 3 mois ou moins selon le degré de maîtrise des élèves, notamment pour les moments de construction technologique des différents éléments.
  • Ordre des opérations : un ordre peut être préconisé, mais il et intéressant de laisser des " désordres " partiels être initiés, sans le contrôle vigilant du maître.
  • Aides proposées : la mise à disposition d'un banc d'essai permettra, par exemple, de tester la rotation de la bobine.
  • Précautions : le vocabulaire employé devra être précis et non équivoque, servant de liaison avec le domaine courant (exemple : balais, commutateurs).

Compléments scientifiques

Objet d'usage commun, le moteur électrique est très présent dans notre environnement

Il anime les jouets des enfants, les lecteurs numériques, les imprimantes ; il entraîne le compresseur du réfrigérateur, la pompe du lave-linge, le ventilateur de la hotte aspirante. Il actionne les essuie-glace, monte et descend les vitres de la voiture. Il est présent dans le robot ménager, tout comme dans le robot industriel. Dans l'industrie, pour les opérations délicates, répétitives et rapides, il abandonne les bobinages traditionnels et fait appel aux aimants permanents.

Proposition de l'atelier

Après démontage d'un petit moteur industriel, construire un moteur artisanal pour la découverte de notions théoriques et l'élaboration de concepts.

1. épingles

Collecteurs ou commutateurs

2. rayon de vélo

axe du rotor

3. bouchon

support d'enroulement

4. fil émaillé

bobine du rotor, induit

5. aimants permanents

Stator, inducteur

6. fils de cuivre écrouis

balais

 

 

" Avant toute analyse théorique d'un problème physique (mise en équations, résolution formelle, calculs numériques), une étude qualitative préalable en est absolument nécessaire. Évaluation empirique des paramètres, utilisation de la nature fonctionnelle des lois physiques… ".
Jean-Marc Lévy-Leblond, la physique en questions, Vuibert, 1998.

Définitions

Moteur : organe transformant en énergie mécanique une énergie de nature différente.

Moteur électrique : machine électrique qui transforme de l'énergie électrique en énergie mécanique.

" Un moteur à courant continu est essentiellement constitué d'une armature d'induit, ou rotor, noyau cylindrique en tôles de fer, portant dans des encoches périphériques un enroulement en fil de cuivre isolé et tournant entre les pièces polaires d'un inducteur (aimant permanent ou électro-aimant fixe) ". © 1999 Encyclopædia Universalis France S.A.

Il existe aussi des moteurs à courant continu dont le rotor plat ou bien cylindrique, mais creux, ne contient pas de fer.

Le moteur proposé utilise des aimants permanents.

Les aimants

Nous ne possédons pas d'organe capable de déceler la présence d'un aimant. On reconnaît un aimant uniquement à ses effets en le manipulant en présence d'objets ferromagnétiques.

Tous les aimants possèdent deux pôles magnétiques. L'axe dipolaire relie les deux pôles.

Par convention, le pôle nord est l'extrémité (ou la face pour des aimants plats) qui se dirige vers le pôle nord magnétique terrestre, l'autre extrémité (ou la face) étant le pôle sud. Ce pôle magnétique nord se trouve près du pôle géographique nord.

Il s'agit bien d'une convention puisque, en toute logique, le pôle nord d'un aimant sera attiré par un pôle sud, donc se tournera vers le sud de la Terre et vice versa !

Les aimants interagissent entre eux. Deux pôles de même nom se repoussent et deux pôles de noms différents s'attirent.

Un aimant crée, dans son espace environnant, un champ magnétique. L'existence d'un champ magnétique se constate à l'aide d'un aimant qui subit alors une force (aiguille aimantée d'une boussole). La valeur du champ magnétique s'exprime en tesla.

La juxtaposition d'aimants augmente la valeur du champ.

Les lignes de champ donnent une représentation schématique du champ magnétique dans l'espace. Les lignes de champ n'ont ni début ni fin : elles se referment sur elles-mêmes. C'est un concept abstrait qui facilite le raisonnement.

Si un dipôle magnétique se trouve dans un champ magnétique, chaque pôle subit une force. Elles sont de même valeur mais de direction contraires ; il en résulte un moment mécanique de rotation.

Un aimant libre de pivoter sur un axe et placé dans un champ magnétique uniforme tourne jusqu'à ce que le moment mécanique s'annule, c'est-à-dire quand l'axe dipolaire est parallèle aux lignes de champ.

Une boussole est un dipôle qui s'oriente parallèlement aux lignes du champ magnétique terrestre. La boussole s'oriente de la même manière entre deux aimants convenablement orientés.

La bobine

OERSTED observa en 1820 qu'une aiguille aimantée placée à proximité d'un fil parcouru par un courant électrique était déviée. Un courant électrique crée donc un champ magnétique dans l'espace environnant. En enroulant le fil (isolé), on obtient une bobine ou solénoïde. Connectée à une pile, le courant qui la parcourt crée un champ magnétique analogue à celui créé par l'aimant plat.

La bobine sous tension est un dipôle. Placée dans un champ magnétique, elle subit un couple de forces électromagnétiques ou force de Laplace. Les forces électromagnétiques sont perpendiculaires aux lignes de champ. Il en résulte un moment mécanique de rotation lié à la valeur du champ.

Le moment du couple ainsi créé est fonction de la surface et du nombre de spires, de l'intensité du courant, de la valeur du champ magnétique créé par les aimants ou un électroaimant.

Le moment tend à placer la bobine de façon à ce que la normale soit parallèle au champ. C'est la base du moteur électrique.

Comme pour l'aiguille de la boussole, le dipôle constitué par le rotor tourne jusqu'à ce que le moment mécanique s'annule, c'est-à-dire quand la normale (l'axe dipolaire) est parallèle aux lignes de champ. Dans cette situation, la rotation s'arrête. Il faut donc produire une alternance de courant pour que les révolutions du moteur continuent, toujours dans une seule direction. Cela est assuré par des commutateurs et des balais.

A chaque demi-tour, chacun des commutateurs modifie sa connexion avec le balai suivant. Dans la bobine, le sens du courant s'inverse toutes les demi-révolutions. Le moment mécanique augmente à nouveau tout en gardant le même sens. La rotation obtenue est continue puisque les conducteurs, toujours placés sous un même pôle, sont en permanence parcourus par un courant de même sens.

Règle de la main droite

L'orientation de la force de Laplace peut être inversée par le changement du sens du courant (permuter les connexions à la pile ou aux balais).

Le même effet est produit par l'inversion du champ (retournement des aimants). Cela permet de modifier le sens de rotation du moteur.

Les caractéristiques du courant peuvent être modifiées par la disposition des piles (montage en série, en dérivation) ; l'intensité du champ du stator est déterminée par le nombre d'aimants (le moteur tourne avec un seul aimant). Le nombre de spires du rotor est décidé à la construction.

La force contre-électromotrice

La rotation de l'induit produit une tension dans ses enroulements. Cette tension induite, de signe contraire à celle appliquée à l'induit, s'appelle tension à l'état bloqué ou force contre-électromotrice (fcem).

La vitesse de rotation détermine le débit de courant dans l'induit ; lorsque l'induit est immobile, il ne possède aucune résistance. Si on lui applique la tension normale de travail, un fort courant passe, ce qui pourrait endommager le commutateur ou les enroulements de l'induit.

Lorsque le moteur tourne plus rapidement, la force contre-électromotrice augmente jusqu'à être pratiquement égale à la tension appliquée. Le courant reste alors faible, et la vitesse du moteur demeurera constante tant que celui-ci n'exécutera aucun travail mécanique, à l'exception de celui fourni pour faire tourner l'induit.

Si le moteur est soumis à une contrainte mécanique, l'induit tournera alors plus lentement, ce qui réduira la fcem. On pourra par conséquent appliquer à l'induit un courant plus élevé. Le moteur pourra donc recevoir une plus grande puissance électrique de sa source d'alimentation et effectuer un travail mécanique plus important.

Le moteur fabriqué dans cet atelier peut effectuer un travail mécanique en fixant sur l'axe une hélice aérienne.

Avec le collecteur à deux contacts, il faut lancer le moteur pour amorcer la rotation.

Ce détour théorique permet d'intervenir sur les pannes constatées au cours des expérimentations :

  • continuité du circuit électrique ;
  • position des commutateurs et balais par rapport à l'axe dipolaire du rotor ;
  • position initiale du rotor au démarrage ;
  • position des aimants pour un champ magnétique uniforme.

L'étude théorique des moteurs, historiquement apparue après l'invention du générateur-moteur de GRAMME, est indispensable pour résoudre les problèmes apparus pendant les phases de tâtonnement. Le rotor avec un enroulement en croix est fonctionnel mais avec 4 collecteurs ; l'enroulement cylindrique est possible mais demande à changer la position de l'axe de rotation et des collecteurs.

Remarques technologiques

De nombreux ouvrages proposent la construction de petits moteurs.

Les solutions technologiques adoptées ici sont adaptées aux compétences des enfants.

L'abandon du noyau de fer doux, pourtant efficace pour augmenter la puissance du moteur, évite les problèmes de balourd pour le constructeur qui ne dispose pas d'outillage de précision. L'élasticité des balais et leur positionnement sont très importants pour l'alimentation électrique.

Pour favoriser une approche essais-erreurs et pour corriger la fabrication suite aux constats, il est utile de pouvoir modifier rapidement les montages, le matériel présenté ci-dessus répondant à ces conditions.

Pour compléter : site La main à la pâte, http://www.inrp.fr/lamap/

Pour les aspects techniques de fabrication : http://perso.wanadoo.fr/bernard.gillot/


Actes de l'université d'été - Enseigner les sciences à l'école primaire

Mis à jour le 15 avril 2011
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