III- Les aimants au cycle 3
1) Le programme
L'énoncé du programme étant un peu long, nous le mettons dans ce
lien. Les aimants peuvent apparaître dans la
partie astronomie en liaison avec les points cardinaux et la boussole.
La Terre est au programme, avec sa rotondité bien sûr. Or il n'est pas évident pour les enfants de comprendre comment il se fait que les habitants
de l'Australie par exemple, n'ont pas la sensation d'avoir la tête en bas. Ce paradoxe plus ou moins inconscient est lié au fait que la notion de haut
et de bas reste, dans les représentations, indépendante de la Terre
(existe dans l'espace, d'une manière absolue indépendante de la Terre), comme on le voit bien apparaître dans les recueils de ce
lien. C'est
l'occasion de parler un peu de la gravitation, en tant que force d'attraction à distance, par une analogie avec la force magnétique.
Nous recommandons à ce sujet le livre :
Tomber d'en haut! La gravitation, Les Editions du Ricochet 2008.
C'est l'occasion
de montrer d'une manière générale qu'il existe des forces de types différents dans la nature. On peut à ce moment parler de la force électrique avec quelques expériences
d'électrostatique.
Les aimants interviennent également à propos du jour et de la nuit, de la rotation de la Terre sur elle-même et du mouvement apparent du
Soleil. On peut en effet à ce moment, parler des points cardinaux et donc de la boussole.
Les aimants peuvent apparaître également dans la partie énergie à propos du moteur électrique, ou de la génératrice
de courant électrique.
2) Découverte de la gravitation par analogie avec la force magnétique
Un caillou laché tombe et se rapproche de la Terre, de la même manière qu'un clou vient se fixer sur un aimant. La vidéo ci-dessus à droite,
montre qu'un aimant est capable de transformer une trajectoire, qui serait sans aimant rectiligne, en une trajectoire courbe. Par analogie, on
peut donc faire comprendre comment l'attaction du Soleil peut obliger les planètes à tourner autour de lui. Les objets, par la gravitation, se rapprochant
de la Terre, on comprend alors pourquoi on n'a pas la tête en bas en australie. Le
fichier joint, montre le dessin historique de Newton montrant la continuité
entre la chute d'un corps et la satellisation, continuité mise en évidence dans
l'animation jointe. La légende veut que Newton ait compris que c'est la même force qui fasse tomber les corps et
maintienne la Lune qui tourne, autour de la Terre en recevant une pomme sur la Tête, alors qu'il était exilé à la campagne à
Woolsthorpe dans sa propriété patrimoniale (photo ci-dessus) pour fuir l'épidémie
de peste de 1665.
Loin d'un astre, il n'y a plus de gravité et on
flotte dans l'espace, comme le montre
l'extrait de TINTIN "on a marché sur la lune" où le whisky du capitaine haddock se
met en boule. Enfin,
l'épisode de l'attraction du capitaine par l'astéroïde Adonis
confirme que
tous les corps s'attirent par la gravitation, bien qu'ici, l'attraction
d'Adonis soit bien exagérée, et incapable en fait d'attirer si rapidement le capitaine. Enfin, le fait que
l'on pèse moins lourd sur la Lune que sur la Terre montre bien que c'est l'astre qui est à l'origine de la gravitation et que
cette dernière ne préexiste pas. On peut au passage comprendre pourquoi il n'y a pas d'atmosphère sur la Lune : la gravitation est trop faible pour
retenir les gaz.
3) L'électrostatique
Pour bien faire comprendre l'analogie entre la gravitation et le magnétisme, il est intéressant de montrer aux enfants qu'il existe
plusieurs types d'interactions différentes. On peut donc dans ce cadre faire quelques expériences d'électrostatiques. Une situation problème
est de comparer la force magnétique à la force électrique que l'on met en évidence avec un bâton de plastique (PVC par exemple) frotté, qui
attire des petits bouts de papier. Le tableau ci-dessus à droite montre le tableau de comparaison qu'on peut faire remplir par les élèves.
Dans la vidéo ci-contre à droite, le fait que le bâton de plastique frotté allume brièvement un tournevis de phase qui s'allume quand on le met
dans le trou de phase d'une prise de courant, montre bien le lien entre ces expériences d'électrostatique et l'électricité usuelle.
4) Les électroaimants
On montre dans cette activité qu'on peut faire des bobines qui ont un comportement magnétique avec du fil de cuivre vernissé de diamètre
0,25 mm, comme on le voit dans la vidéo ci-contre à droite. En entourant ensuite un clou avec ce même fil vernissé, disponible chez les vendeurs de métaux
ou les fournisseurs de matériel scientifique pour les établissements scolaires, on fabrique un électroaimant.
5) Le moteur électrique
Montrons tout d'abord sur la vidéo ci-contre à droite
qu'en approchant et en éloignant à un rythme adéquat un aimant d'un aimant qui peut tourner, car posé sur une cuillère, on obtient une
rotation permanente. Dans l'animation qui suit
obtenue en cliquant
sur
l'image à droite ou
sur ce lien, on peut s'exercer à trouver le bon rythme pour obtenir le résultat :
dans un premier temps,
avec le curseur, essayez de déplacer l'aimant pour faire tourner la cuillère toujours dans le même sens.
Pour arriver au moteur électrique, il suffit de remplacer un des deux aimants par une bobine;
dans un deuxième temps donc, après avoir cliqué sur le
bouton "Avec la bobine", essayez avec le curseur d'allumer et de couper le courant pour faire tourner la cuillère toujours dans le même sens.
Enfin en cliquant sur le bouton "Automatique", on voit un système de contacts qui rend la commutation automatique.
Dans le modèle de
moteur électrique que nous proposons de construire, c'est l'aimant tournant
qui est remplacé par une bobine. L'axe de la bobine
est un fil vernissé dont on a enlevé le vernis isolant sur la moitié de la circonférence, ce qui assure la commutation
nécessaire. L'animation
de ce lien ou obtenue en cliquant sur l'image à droite explique le principe de fonctionnement,
tandis que la vidéo ci-dessous montre la construction de ce moteur.
Dans ce
lien, nous avons le train électrique le plus simple (simplest train).
6) La génératrice de courant électrique
Si l'on fait tourner un aimant devant une bobine de fil branchée dans un circuit fermé, on obtient un courant électrique, comme le montre la vidéo
ci-dessus à droite d'une lampe de poche sans pile. La vidéo suivante (cliquer sur l'image à droite ou sur ce
lien) montre l'expérience de principe correspondant
à ce phénomène d'induction électromagnétique. On enfonce un aimant dans une bobine, cela produit un courant qui est détecté à distance en faisant agir
une bobine parcourue par ce courant sur une boussole. Le principe du phénomène d'induction est expliqué dans le chapitre VI :
Un peu d'électromagnétisme.
Cette activité est en accord avec le programme dans la partie sur les sources d'énergies. On montre comment on obtient de l'énergie
électrique à partir du mouvement qui peut être obtenu par exemple avec une turbine mise en rotation par de l'eau en mouvement.
Suite : explication de l'aimantation
