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lundi 27 février 2017

Conducteurs ou isolants



C'était il y a plus d'un an déjà, et notre petit matériel est toujours resté à disposition dans l'atelier depuis. Antonin et Louiselle restaient parfois plusieurs mois sans s'en servir, puis étaient pris d'un engouement tel qu'ils ne s'arrêtaient plus... Mais vous connaissez cela ! 😄

Le circuit en série n'a plus de secret pour eux ; à force de manipulation, ils ont bien compris que le courant circulait à travers le circuit, et qu'il pouvait être plus ou moins intense si on faisait varier certains paramètres (nature de la pile, nombre d'éléments en série...).

Le moment était venu de proposer une petite séance sur les notions de conducteurs et d'isolants... Et nous avons profité des vacances pour mener une petite recherche sur ce sujet pendant quelques jours.


J'ai commencé par composer une petite invitation : dans une corbeille, j'ai rassemblé un tas d'objets composés de matériaux variés (feuille d'aluminium, bracelet de perles, gomme, bâton, bague en argent, ruban, morceau de plastique et de carton...) et un petit défi rédigé sur papier. Depuis qu'Antonin est lecteur, ce type de petit mot a beaucoup d'attrait, et ceux que j'avais rédigé l'année dernière (et qu'il ne pouvait pas lire seul à l'époque) sont à présent régulièrement repris. Il les lit à sa sœur, puis ils s'appliquent ensemble à réaliser le circuit décrit par le message... 💓

Métaux

Les enfants ont également à disposition deux plateaux, sur lesquels ils trient les objets après les avoir testés : à droite les éléments qui laissent le courant circuler (métalliques), à gauche, ceux qui ne le laissent pas passer.

Bois

Bien sûr, à l'âge de mes enfants, le fait d'allumer une ampoule ou de faire tourner une hélice permet de visualiser les propriétés conductrices du matériau, bien mieux que ne le ferait un voltmètre. C'est assez magique pour eux, et l'émerveillement est au rendez-vous ! Ainsi que l'appropriation rapide des deux nouveaux termes introduits par l'expérience : "conducteur" et "isolant".

"Patafix"

En dépit de tout ce que j'ai pu lire sur Internet, notre pâte à modeler maison ne semble pas, au premier abord, conductrice... Et d'ailleurs pourquoi le serait-elle, je n'y intègre pas de poudre de fer ! 😁 Je garde cet échec dans un coin de ma tête - et reviendrai avec le fin mot en fin d'article... 😊

Mine de crayon... non graphite, visiblement 😕

J'ai eu aussi la grande surprise de constater que la mine de crayon que j'avais fournie aux enfants ne conduisait pas le courant ! Le petit effet que je comptais tirer de cette proposition est tombé à l'eau... Visiblement, de nos jours, les mines de crayons à papier ne contiennent plus de carbone... Nous en avons testé plusieurs , avant que, dans un fond de tiroir, je ne retrouve un crayon "graphite" (c'est écrit dessus !), et là...

Mine de crayon graphite

Ouf, ça s'allume ! 😊

Ne faites pas comme moi, pensez bien à vérifier la conductivité des matériaux que vous proposez avant l'activité ! 😁


J'ai longuement hésité : est-il pertinent de proposer de faire passer le courant dans un liquide lors de cette séance ?

Lorsque nous nous sommes lancés, j'étais loin de me douter de la complexité du phénomène sous-jacent... et dont l'explication est hors de portée de mes enfants. Ce sera à reproposer lorsqu'ils seront au lycée !  😁 En attendant, puisque nous l'avons fait, voici.


S'il existe des liquides qui sont d'excellents conducteurs électriques (comme le mercure), nous n'en disposons hélas pas dans notre humble cuisine... Et pourtant, ne lit-on pas partout que l'eau salée ou le vinaigre peuvent conduire le courant ?

En réalité, ce dont parlent les cours qui mentionnent ce fait, et ce que j'ai mis quelques heures à comprendre, c'est que l'eau salée est en réalité un conducteur... ionique. Elle n'est pas "intrinsèquement" conductrice, comme peuvent l'être les métaux ou le graphite. Ces derniers sont traversés physiquement par les électrons, alors que dans les liquides que nous avons à disposition, la réalité physique est bien différente : il y a une réaction, et c'est elle qui permet le flux d'espèces chargées.

Pour éviter de tremper directement les pinces croco dans l'eau (qui risquent de rouiller)...
on les fixe à des bandes de papier d'aluminium, dont on a vu lors de la première phase qu'il était hautement conducteur !

Ce qui traverse l'eau, ce ne sont pas les électrons, mais un flux d'ions - espèce chimique électriquement chargée. Les électrons qui parviennent à notre électrode d'aluminium "moins" sont gobés par les ions positifs... Le phénomène est observable : il y a création de bulles du côté de notre borne "moins" !!! 


Mais pour conserver la neutralité du système, à chaque fois qu'un ion absorbe un électron, de l'autre côté et dans le même temps, un ion négatif va déposer un électron sur la borne positive... Physiquement parlant, il ne s'agit pas du même électron, même s'il est en tout point identique au premier... mais on peut avoir l'impression que les électrons se téléportent !

On peut s'amuser à réaliser cette expérience avec de l'eau du robinet, de l'eau minéralisée, de l'eau minérale, de l'eau salée, du vinaigre...  Mais n’espérez pas allumer une ampoule d'1,5 volts avec ce dispositif ! La déperdition d'énergie dans l'eau est énorme, et avec une pile plate, vous ne parviendrez qu'à éclairer une diode (0, 3 volts)... Enfin, n'oubliez pas que, contrairement à l'ampoule, la diode a un sens de branchement : connectez la grande patte sur la borne +, sans quoi elle ne s'allumera pas ! 😊


Dès que vous observez une conduction, souvenez-vous que dans ce cas, elle témoigne de la présence d'ions, et d'une réaction essentielle à la conduite des charges. Quant aux enfants, ils ont été impressionné que l'eau ne "coupe" pas le circuit, et ils ont adoré observer les petites bulles - et les explications scientifiques, dont leurs parents discutaient âprement pendant ce temps, sont passées au-dessus de leur tête... Bien sûr ! 😊


Et la pâte à modeler, alors ? Effectivement, grâce à la présence de sel et à une réaction similaire, qu'elle peut être dite "conductrice"... Enfin, "conductrice"... : on est quand même à l'orée de l'abus de langage ! Sa résistance est en fait telle qu'il vous faudra une pile de 9 volts pour allumer une diode ! 😊 Mais sachez que c'est possible, nous l'avons testé ! Quoiqu'encore une fois, et bien que cette activité soit estampillée "pour enfant", le phénomène physique sous-jacent n'est pas compréhensible par les moins de 15 ans...

Bonne expérimentation ! 😊

(Merci à mon homme, scientifique de mon cœur, pour son assistance physique et son éclairage intellectuel lors de cette séance !) 😄

6 commentaires:

  1. super article pour faire suite aux 1eres notions d électricité. Mais comment expliquer de manière accessible aux enfants cette histoire d eau salée et de conduction ionique? les explications du 1er article étaient tellement fluides là j avoue m y perdre un peu. J'en profite pour te féliciter sur les activités proposées à tes enfants.
    Nadouche

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  2. Bonjour, Nadouche !
    On n'explique pas la conduction ionique, c'est hors de portée à ce stade de compréhension... Ce que j'essaie d'expliquer dans cet article, c'est que je ne suis pas sûre que proposer de "faire passer" le courant dans un liquide soit pertinent à ce stade. Mais puisque nous l'avons fait (emportés dans notre élan), je voulais comprendre ce qui se passait alors (et que j'étais loin de soupçonner à la base). L'expérience a plu aux enfants, mais si c'était à refaire, je me contenterai de la première partie (objets conducteurs ou isolants) seule. Belle journée chez toi !

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  3. Un autre truc intéressant et surprenant : la conductivité des pommes de terre (ionique également)
    Il y a des expériences pouvant matérialiser l'ionisation (avec un clou en fer et du cuivre il me semble, à rechercher), la matière disparaissant d'un côté et apparaissant de l'autre, mais on est bien dans la chimie et plus dans l'électricité. Il y a d'ailleurs plein d'expériences amusantes à faire côté chimie sur le sujet de l'oxydo-réduction (c'est son petit nom)

    Pour la mine graphite, normalement les porte-mines ont une mine graphite (qui fait fusible, chauffe et fume, puis "claque" si 0.7 ou 0.5). A voir si c'est toujours le cas et tester avec des mines de 2mm plus préhensible pour les petits doigts.
    Mais en effet, la plupart des mines sont en "plastique" du fait du prix élevé du graphite et de sa non résistance aux chocs.

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    1. Pour la pomme de terre, c'est même mieux que ça, elle est génératrice d'électricité si on met un clou en fer et une tige en cuivre. Ca fonctionne aussi avec d'autres fruits/légumes.

      Par exemple :
      http://fr.wikihow.com/fabriquer-une-batterie-en-pommes-de-terre-pour-une-horloge

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  4. Merci pour toutes ces belles idées ! Je prévois justement une séquence sur l'électricité avec mes élèves de CE1/CE2. Je vais reprendre l'idée de petits défis successifs à réaliser !

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  5. Le phénomène de la condition de l'électricité dans l'eau peut être compris par les enfants bien avant 15 ans, à condition qu'ils aient les notions sur les 3 liaisons chimiques, ce que fait excellemment le "Grimoire de chimie" des éditions Carpe Diem (pas avant 8 ou 9 ans, quand même!).
    Dans la démarche Montessori, l'eau est proposée à tester aux enfants comme conducteur, non pas pour amener une compréhension du phénomène physique mais pour des raisons de sécurité. Cet exercice est en effet proposé aux enfants dès 4 ou 5 ans dans une démarche purement sensorielle: l'électricité "passe" dans certains types de matériaux et pas dans d'autres. L'explication interviendra plus tard. Mais dès cet âge-là, l'expérience permet de comprendre qu'il est dangereux de manipuler un objet électrique branché dans l'eau. Il est également important de bien faire comprendre que l'électricité que nous manipulons avec les piles est une électricité beaucoup plus "faible" que celle qui circule dans les fils de nos maisons (pour cela, essayer de faire allumer une ampoule de lampe de chevet avec la pile) et que si nous pouvons toucher les bornes de la pile sans danger, il en est tout autrement des prises électriques domestiques.

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