Solar Impulse: around the world without fuel to promote clean technologies.

1. 1/6
Cette fiche est l’occasion de présenter aux élèves le principe de fonctionne-
ment des moteurs électriques.
En première partie,les bases du principe des moteurs électriques synchrones
sont exposées (même principe que les moteurs utilisés sur Solar Impulse).
Ensuite,la fiche propose de construire un modèle simple de moteur à courant
continu.Cesdispositifssontd’autantplusintéressantsqu’ilssontréversibles.
En effet, l’alimentation électrique d’un moteur le met en mouvement, mais
la mise en mouvement du moteur permet de générer du courant électrique.
C’est donc le sujet idéal pour illustrer la transformation d’énergie électrique
en énergie mécanique et réciproquement.
L’étude de la production d’électricité permet d’introduire quelques notions
d’histoire des sciences et de la technique. Cela permet de comprendre la
diversité des réseaux électriques actuels (parenthèse historique).
Dans cette fiche se trouve une notice pour construire un alternateur. C’est
une jolie activité manuelle qui nécessite du temps. Elle peut très bien faire
l’objet d’un projet interdisciplinaire avec les AC&M ou l’objet d’un travail
développé par un groupe dans le cadre des OCOM. On pourrait évaluer la
qualité du montage produit, les améliorations apportées au modèle et la
compréhension de ce dispositif.
Projet : EPFL | dgeo | Solar Impulse
Rédaction : Marie-Noëlle Kaempf
Graphisme : Anne-Sylvie Borter, Repro - Centre d’impression EPFL
Suivi de projet : Yolande Berga
MAGNÉTISME
+ ÉLECTRICITÉ
MOTEUR !

2. Notions abordées
Physique :
• Moteur
• Alternateur
• Courant et tension électriques
• Magnétisme
• Electroaimant
Objectifs d’apprentissage du PER
MSN 36 - 35. Analyser des phénomènes natu-
rels et des technologies à l’aide de démarches
caractéristiques des sciences expérimentales :
• en acquérant les connaissances nécessaires
en physique et en chimie.
• en utilisant un modèle pour expliquer et/ou
prévoir le fonctionnement d’un objet tech-
nique.
SHS 32 - 33. Analyser l’organisation collective
des sociétés humaines d’ici et d’ailleurs à travers
le temps :
• en analysant les différentes conceptions des
relations entre individus et groupes sociaux à
différentes époques.
Disciplines et options concernées
Sciences : 11e
OCOM - Sciences * : 11e
OS MEP * : 11e
L’alternateur ou différents types de moteurs
homopolaires sont destinés aux OCOM dans le
cadre d’un projet de plus longue durée.
Durée de l’activité
Introduction aux notions théoriques
nécessaires : 1 période
Activité pratique
• Moteur : 1 période
• Alternateur : projet pour groupe de deux ou
trois élèves. Son développement et son per-
fectionnement peuvent aussi être menés avec
la collaboration d’élèves en AC&M. Compter
4 périodes pour le montage de base.
Bibliographie
Pour plus de détails sur l’enchaînement des découvertes de l’électroaimant
et de ses applications :
Les Merveilles de la science ou description populaire des inventions mo-
dernes (chapitre de l’électromagnétisme)
de Figuier Louis ; éditeur : Furne, Jouvet (Paris) 1867
Livre numérisé accessible par le lien suivant :
http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k24674j/f725.image
* Disciplines spécifiques à la scolarité vaudoise
OCOM : options de compétences orientées métiers
OS MEP : option spécifique mathématiques et physique

3. LES AIMANTS - GUIDE 3/6
LA RÉVOLUTION !
Pour comprendre le fonctionnement d’un électroaimant, vous pouvez aborder préalablement la fiche
LES AIMANTS « je t’aime… moi non plus ».
Des activités et plus de détails sur l’histoire des piles se trouvent dans les fiches « batteries » et « bat-
teries-guide » du projet ELEMO.
http://www.elemo.ch/page-63106-fr.html
site web elemo.ch, « batteries »
LE MOTEUR ÉLECTRIQUE DE BASE
Une animation sur le site edumedia permet de montrer clairement comment l’alimentation alternative
triphasée des trois bobinages produit trois champs magnétiques variables dont la résultante est un
champ magnétique d’intensité constante mais dont l’orientation tourne.
http://www.edumedia-sciences.com/fr/a499-moteur-synchrone
site edumedia-sciences.com, moteur synchrone
PARENTHÈSE HISTORIQUE
C’est un texte annexé à la fiche élève à lire et à commenter avec les élèves. Il retrace l’histoire du dé-
veloppement de l’électromagnétisme et ses applications aux réseaux électriques de distribution.
LE MOTEUR À L’ENVERS – UNE GÉNÉRATRICE !
Ce chapitre souligne le fait que l’utilisation des moteurs électriques est réversible. C’est là un aspect
important, car les génératrices (machine dynamoélectrique, alternateur, etc.) ont permis la production
d’électricité avec une intensité et une tension suffisante pour permettre sa distribution à large échelle
et l’utilisation de moteurs électriques puissants. Actuellement, c’est aussi un élément important pour la
fabrication d’électricité issue d’énergies renouvelables. Les éoliennes, les usines hydroélectriques des
barrages, ainsi que les stations au fil de l’eau ou marémotrices utilisent toutes des génératrices de ce
type. On exploite aussi ce principe dans les véhicules électriques ou hybrides pour récupérer l’énergie
cinétique lors des freinages.
Voici deux animations qui illustrent le principe de fonctionnement de l’alternateur :
http://www.edumedia-sciences.com/fr/a112-generatrice-electrique
site edumedia-sciences.com, génératrice électrique
http://www.youtube.com/watch?v=0j2uS78H8Qs
L’alternateur [Sciences et Techniques]

4. 4/6 LES AIMANTS - GUIDE
Marche à suivre
Pour former le bobinage, enrouler le fil autour d’un cylindre. Laisser dépasser les deux extrémités.
Principe du moteur
C’est un petit modèle de moteur à courant continu. On utilise pendant un demi-tour la répulsion, puis
l’attraction du champ magnétique de la bobine par celui de l’aimant permanent. Puis on profite de
l’inertie du rotor car le courant est coupé. En effet, la bobine effectue alors un demi-tour sur la partie
non dénudée de l’extrémité du fil de la bobine.
La bobine est un électroaimant lorsqu’elle est parcourue par un courant. Les indications nécessaires
à l’orientation du champ magnétique produit se trouvent sur la fiche-élève, dans le paragraphe « LA
RÉVOLUTION ! ».
TECHNOLOGIE : UN MOTEUR « FAIT MAISON »
Voici un moteur à courant continu facilement réalisable.
Matériel nécessaire
• une pile AA
• du fil de cuivre avec un revêtement en céramique
• un aimant fort (un cube de 5mm en néodyme suffit)
• deux épingles de sûreté (imperdables)
• un élastique
• une lame (couteau ou cutter)
Attention : les aimants au néodyme sont très puissants.
Il faut les manipuler avec précaution !
Racler l’une des extrémités du fil, de
manière à enlever la couche isolante
sur tout le pourtour. Faire de même
avec l’autre extrémité, mais ne racler
que la moitié supérieure (lorsque la
bobine est positionnée verticale-
ment).
Une petite vidéo en ligne, montrant
le moteur en action, est à disposi-
tion sur le site des fiches.
extrémité
entièrement
dénudée
extrémité dénudée
sur la moitié
supérieure

5. LES AIMANTS - GUIDE 5/6
Explication du fonctionnement
Un petit repère blanc est placé sur
le dessin pour observer la rotation.
La bobine va tourner comme l’in-
dique les flèches noires, car le
champ généré par le courant qui
circule va s’aligner sur le champ de
l’aimant (Fig. A, puis Fig. B).
Une fois que la bobine a dépassé
l’horizontale, le contact électrique
ne se fait plus au niveau de l’imper-
dable à cause de la protection en
céramique du fil. La bobine poursuit
sa course par inertie (Fig. C).
Remarque
Les moteurs à courant continu ont l’avantage de ne pas nécessiter de dispositif électronique pour gé-
rer le courant alternatif. Il est beaucoup plus facile d’adapter leur sens, leur puissance, etc. Par contre,
les contacts sur ce type de moteurs sont souvent assurés par des balais (petites brosses métalliques)
sur des bagues (collecteurs). Les balais s’usent et sont la cause de frottements importants. C’est le
point faible de ce genre de dispositifs qui tendent à disparaître.
http://www.edumedia-sciences.com/fr/a182-machine-a-courant-continu
site edumedia-sciences.com, machine à courant continu
C’est pourquoi on a opté pour des moteurs sans balais pour Solar Impulse. En contrepartie, il a fallu
concevoir des dispositifs performants et innovants pour pouvoir régler la puissance du moteur et adap-
ter le courant continu produit par les cellules photovoltaïques.
I
I
Bbobine
Baimant
I
B
F
Fig. A
Fig. C
Fig. B
Fig. D
Fig. E
Prolongement pratique
Il existe d’autres moteurs réalisables à l’aide d’une pile et d’aimants : les
moteurs homopolaires. Ils fonctionnent aussi avec du courant continu.
Sur le site, il y a trois moteurs de ce type qui sont proposés sur des vidéos.
Pour en expliquer le fonctionnement, il faudra faire appel à la notion de force
de Laplace. Celle-ci s’exerce sur un fil électrique dans lequel un courant
circule en présence d’un champ magnétique. Pour prévoir sa direction, on
utilise la règle de la main droite : I indique le sens du courant, B le sens du
champ magnétique et F le sens de la force qui s’exerce sur le fil.
La bobine passe la verticale toujours sans qu’aucun courant ne
parcoure la bobine (Fig. D).
Le contact se fait à nouveau lorsque l’anneau dépasse l’hori-
zontale (Fig. E). Le courant circule et génère le champ magné-
tique. La boucle doit continuer de tourner pour que son champ
s’aligne sur celui de l’aimant.

6. 6/6 LES AIMANTS - GUIDE
POUR ALLER PLUS LOIN…
TECHNOLOGIE : L’ALTERNATEUR
Voici les bases pour créer un petit alternateur avec un matériel rudimentaire.
Le guide complet pour la réalisation se trouve dans la fiche de l’élève. La réalisation est délicate et né-
cessite du temps. C’est un montage que l’on peut difficilement entreprendre au cours de sciences ou
de MEP. Mais dans le cadre d’un projet des OCOM, c’est une activité intéressante.
C’est un montage que l’on peut améliorer et perfectionner, d’autant plus s’il est mené de manière in-
terdisciplinaire avec les AC&M. Si on peut l’équiper d’une manivelle, d’une courroie d’entraînement ou
augmenter le nombre de spires, on pourra obtenir une source d’alimentation intéressante. Pourquoi ne
pas construire une éolienne ?