Construis un sapin de Noël qui danse – à l’aide d’un moteur électrique

Dans cette expérience, tu découvriras comment l'électricité et le magnétisme interagissent dans un moteur électrique simple pour mettre un objet en mouvement.

FNR

Compte tenu des mentions relatives à la sécurité, les jeunes enfants doivent réaliser cette expérience en présence d'un adulte.

pile 1,5 V (AA)
deux aimants puissants (aimants en néodyme)
fil de cuivre
pince coupante
facultatif (si le fil de cuivre est muni d'une gaine) : pince à dénuder
facultatif : décoration (p. ex. cure-pipes verts, pompons, petites étoiles, etc.)

Attention aux aimants puissants : Les aimants en néodyme sont puissants et, comme tous les aimants, il ne faut en aucun cas les laisser à la portée des jeunes enfants. En cas d'ingestion, il y a danger de mort. En outre, il convient de tenir les aimants à l'écart des cartes de crédit, des disques durs d'ordinateur et autres supports de stockage, ainsi que des pacemakers.

Attention aux courts-circuits : Ne relie jamais DIRECTEMENT le pôle positif au pôle négatif d'une batterie à l’aide d’un câble. (Le câble risque de brûler et la batterie peut surchauffer, voire exploser !)

Pour toute expérience utilisant de l’électricité, il est essentiel de suivre les règles de sécurité suivantes :

N’effectue jamais d’expériences avec l'électricité provenant d’une prise murale.
N’ouvre pas, ne découpe pas et ne chauffe pas les batteries ou les piles.
Élimine les piles, les ampoules ou les câbles endommagés.

Ne laisse pas le sapin de Noël tourner trop longtemps dans cette expérience, car la pile chauffe.

Tu trouveras du fil de cuivre dans les magasins de bricolage. Les aimants en néodyme sont disponibles aussi bien en ligne qu’en magasin de bricolage.

Ça ne fonctionne pas ? Vérifie si la pile est encore chargée ou utilises-en une nouvelle. Assure-toi aussi que la spirale en cuivre est bien placée en haut sur le pôle positif de la pile et qu'elle est suffisamment lâche en bas autour de l'aimant, sans entrer en contact avec la table. Adapte la forme de la spirale en cuivre si nécessaire.

Déroulement

Coupe un morceau de fil de cuivre d'environ 50 cm à l'aide d'une pince coupante. Si le fil de cuivre est gainé, retire environ 2 cm de la gaine en plastique à une extrémité et environ 5 cm à l'autre. Ensuite, forme une spirale avec le fil de cuivre. Replie l’une des extrémités (2 cm de cuivre nu) vers l’intérieur de la partie supérieure de la spirale. Avec l’autre extrémité (5 cm de cuivre nu), forme un cercle fermé.

Teste le sapin de Noël avant de le décorer. Fais adhérer ensemble les deux aimants, puis fixe-les au pôle négatif de la pile. Place les aimants avec la pile à la verticale sur une table. Fais glisser la spirale en cuivre par-dessus la pile et les aimants de sorte que l’extrémité recourbée du fil repose sur le pôle positif de la pile, tandis que l’autre extrémité en forme de cercle entoure les aimants.

Une fois que la spirale en cuivre tourne de manière autonome autour de la pile et des aimants, tu peux décorer ton sapin de Noël si tu le souhaites. Une fois que c'est fait, il se peut que tu doives écarter légèrement ou ajuster la spirale afin qu’elle continue à tourner.

Ne laisse pas tourner le sapin de Noël trop longtemps, car la pile chauffe.

Explication

Tu as construit un moteur électrique simple appelé « moteur homopolaire ». Quand tu places la spirale en cuivre autour de la pile, le courant passe de la pile dans la spirale, car le cuivre est un conducteur. Des porteurs de charge traversent le fil en cuivre. Dans le même temps, les aimants situés sous la pile créent un champ magnétique autour de la construction. Ce champ magnétique influence les porteurs de charge qui se déplacent à travers le fil de cuivre. Il les dévie. La force engendrée s’appelle « force de Lorentz ». Comme les porteurs de charge ne peuvent pas quitter le fil de cuivre, la spirale en cuivre se met à tourner. C'est donc la force de Lorentz qui permet à notre sapin de Noël de faire une pirouette !

Illustration : Schéma d'un moteur homopolaire simple, similaire à celui de notre expérience. Le courant (bleu = sens de circulation du courant) circule dans le fil de cuivre (beige). L'aimant forme un champ magnétique (rouge). La force de Lorentz (F), représentée en vert, dévie les porteurs de charge du courant. Source : Ths1104 and Smial via Wikimedia Commons; Public Domain.

Vie quotidienne

Les moteurs électriques sont omniprésents. Beaucoup d’appareils du quotidien sont alimentés par des moteurs électriques, par exemple les brosses à dents électriques, les ventilateurs ou les machines à laver. Mais les vélos et les voitures électriques sont aussi dotés de gros moteurs électriques pour nous emmener d'un point A à un point B.

Ces moteurs reposent sur des principes similaires à ceux de notre moteur homopolaire, mais leur architecture est plus complexe.

Tu souhaites construire d'autres moteurs électriques ? Tu trouveras ici deux autres expériences avec des explications supplémentaires :

Auteure : Michèle Weber (FNR)
Vidéo : Melanie Reuter (FNR)
Traduction : Nadia Taouil (t9n.lu)

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