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DE L'INTERRUPTEUR AU RELAIS ELECTRONIQUE, DU RELAIS ELECTROMAGNETIQUE AU TRANSI

DE L'INTERRUPTEUR AU RELAIS ELECTRONIQUE, DU RELAIS ELECTROMAGNETIQUE AU TRANSISTOR Jean-Loup Canal Dans le domaine de la didactique des sciences, on peut avancer l'hypothèse que Vintroduction de la modélisation peut constituer une aide à la construc- tion des connaissances. Il ne s'agit pas de prétendre à la rigueur et à l'effica- cité de certains modèles scientifiques, mais de montrer les effets de la modélisation dans l'appropriation des connaissances. Notre hypothèse s'ap- puie sur le fait que l'une desfonctions du modèle, lafonction explicative, passe par l'analogie. On trouvera ici des exemples où, pour comprendre le rôle du re- lais électromagnétique, l'interrupteur mécanique servira de modèle, puis le re- lais lui-même sera un modèle du transistor. Dans ces situations, la notion de modèle est utilisée au sens limité d'outû pour la pensée, réduisant la complexi- té du réel. Onpourra constater comment les élèves d'un cours moyen deuxième année ont pu, par cette aide, intégrer les premiers principes du transistor uti- lisé en commutation. une approche en termes de sys- tèmes à l'école élémentaire Les récents programmes et instructions de l'Ecole élémentaire offrent, dans le domaine des Sciences et Techniques, un cer- tain nombre d'objets ou de phénomènes d'étude nouveaux que les physiciens et technologues ont l'habitude d'aborder, à un autre niveau, par une approche modélisante : la structure de la matière, l'astronomie, la transmission de signaux électri- ques. Au cours moyen, (les deux dernières années du cycle élé- mentaire), l'enseignement comprend en particulier l'étude du transistor (utilisé uniquement en commutation) dans le cadre d'une approche de l'électronique, et du relais électromagnéti- que au sein de l'étude d'électromécanismes. Il nous est appa- ru que ces deux objets techniques, ces deux systèmes, pouvaient être étudiés par leur fonction d'interface entre deux systèmes, l'un de commande (électrique), l'autre de puissance (ou d'action), comme l'interrupteur à commande mécanique. Dans le cadre d'une pédagogie d'éveil, les élèves d'une classe de CM2 . face à diverses situations, vont appréhender les fonctions de ces deux outils et avoir d'eux-mêmes recours aux analogies interrupteur-relais puis relais-transistor. ( 1 ) Classe de Michel Prat. ASTER IT7. 1988. Modèles et modélisation. INRP, 29 rue d'Ulna, 75230, Paris Cedex 05. 72 1. L'APPROCHE DU RELAIS ELECTRO- MAGNETIQUE 1.1. L'électro-aimant Avant d'étudier l'objet technique relais, le maître fait le choix d'analyser d'abord, avec les enfants, la création d'une interac- tion électromagnétique par le passage d'un courant électrique autour d'un matériau-noyau en fer. Cette étude évitera chez les enfants un obstacle au niveau du rôle de la bobine du re- lais. • Présentation d'une grue-jouet fig. I Le maître présente une grue-jouet (figure 1) dont le crochet est absent et remplacé par un électro-aimant. Il fait successive- ment une série de manipulations sans commentaire : - le bas de l'électro-aimant touche une pièce de fer (une clef) : cela ne produit aucun effet - ostensiblement il ferme un interrupteur et renouvelle le contact précédent : la clef reste "accrochée" à l'électro-aimant. Etonnement des enfants. - il ouvre l'interrupteur : la clef tombe. E - Ça aimante II E - D'habitude un aimant ça aimante tout le temps ! E - C'est un aimant qui fonctionne à l'électricité ! E - En ouvrant, l'aimant se coupe ? M - Est-ce un aimant ici ? E - Non, un aimant ça fonctionne tout le temps. M - Oui, et ici comment pourrait-on appeler ce dispositif? E - Un électro-aimant ! M - Comment as-tu trouvé ce nom ? Qui t'en a parlé ? E - Mon père, et à la télé. • Fabrication de l'électro-aimant Ensuite les enfants recherchent les composants de cet électro- aimant et en fabriquent un par groupe (figures 2 et 3). Ils ma- ie problème est lancé à partir d'une situation. 73 nipulent et déjà des questions apparaissent : - s'il faut amener le courant au clou (c'est pour eux évident), pourquoi le bobinage est-il en fil conducteur émaillé ? As es- sayent même de construire un aimant en amenant directement le courant à un clou ! (figure 4) - la nature du matériau à l'intérieur ne fait guère de doute : ce doit être un matériau conducteur. On retrouve un résultat identique sur la nature de ce qui est attiré : c'est un matériau conducteur. Ayant déjà constaté, avec un circuit pile-DEL- eau 2, que l'eau était conductrice, ils sont fortement déçus en constatant que l'eau n'est pas attirée par l'électro-aimant qu'ils ont fabriqué ! - Remarque 1 : On aurait pu leur montrer que la faculté d'ai- mantation de leur électro-aimant dépendait uniquement de la seule bobine : il suffisait de l'approcher d'une boussole. Ils au- raient pu rechercher les positions des pôles de la bobine et constater l'inversion de ses pôles par inversion du sens du cou- rant. - Remarque 2 : un dispositif intéressant renforce le rappro- chement de l'aimant avec la bobine traversée par un courant : une bobine associée à une pile est posée sur un flotteur. L'en- semble s'oriente dans le champ magnétique terrestre. C'est une boussole électrique. - Remarque 3 : le rôle du fer doux canalisant les lignes de champ magnétique apparaît en réalisant, avec de la limaille de fer, le spectre magnétique de la bobine seule et de la bobine avec son noyau. que les enfants analysent fig. 3 schématisation adoptée avec les élèves tig- 4 ç J o Ï4 (2) DEL : Diode électro-luminescente 74 une nouvelle situa- tion-problème... ...est décrite aux enfants le maitre a son modèle en tête 1.2. Elaboration du relais avec une sortie (position travail) A partir d'une situation proposée par le maître, et avec des phases tâtonnantes, les élèves vont élaborer avec l'aide du maî- tre un modèle de relais, rapidement concrétisé par une ma- quette, support matériel du raisonnement. Us transféreront à cette occasion les acquis sur rélectro-aimant et leurs connais- sances du rôle d'un interrupteur. • On propose aux enfants la situation suivante Un supermarché a des issues de secours que la clientèle ne doit emprunter qu'en cas de danger. Le gérant décide d'instal- ler une surveillance. Un premier circuit électrique est constitué de : pile, ampoule, interrupteur ; ce dernier se ferme à l'ouverture de la porte. L'ampoule est dans un local, devant un gardien. Pour des raisons de sécurité, il n'est pas autorisé de mettre un interrupteur parcouru par du 220 volts sur une porte. Donc le circuit contenant l'interrupteur devra être traversé par du 4,5 volts (problème identique à celui de la sonnette électrique de la porte d'entrée alimentée en 24,5 volts). Il y a aussi un deuxième circuit contenant une alimentation suffisante pour alimenter une sirène, un interrupteur. Quand le gardien voit l'ampoule témoin s'allumer, il doit fermer le cir- cuit contenant la sirène. On pose alors la question : "Schématise et construis les deux circuits" (réponse figure 5). fig- 5 Puis on modifie la situation : le gérant souhaiterait que le gar- dien travaille à d'autres tâches. Il voudrait donc automatiser le déclenchement de la sirène. Nouvelle question : "Quel mon- tage pourrais-tu lui proposer ?" (réponse figure 6) E - On se met par deux ou par trois ? M - Par trois. Mais avant, qui pourrait me dire rapidement ie principe ? 75 les enfants pro- gressent par tâton- nement en groupes E-tty ala porte... M - Oui et alors... ? Que se passe t-U quand je l'ouvre ? E - Une ampoule s'allume. M - Alors, qu'est ce que c'est, la porte ? E - Une issue de secours ! M - C'est vrai Mais pour le montage électrique ? E-Un interrupteur. M - Oui, et ensuite ? E - Alors le monsieur û appuie sur un bouton qui fait marcher la sirène l M - Bon allez essayer de me dessiner tout ça. Pour la première situation les enfants, par groupes de trois tentent de représenter le système. Certains dessinent des prises électriques. Le maître précise que le courant de 220 volts est Interdit sur les portes : quand il pleut il y aurait des risques. Il leur demande d'utiliser une pile dans la partie correspondante à la porte. Le dessin de la figure 7 propose un dispositif qui fermerait le circuit de l'ampoule à l'ouverture de la porte ; mais la porte dès l'ouverture buterait sur la pile. coumeur interrupteur n *ig- 7 la situation se complique M - Je vous ai dit que sur la porte û fallait une faible alimenta- tion pour des raisons de sécurité. La sirène, eue, marche avec du 220 volts. E - Il faut que ça déclenche quelque chose qui ferme Va- larme. M - C'est bien ! C'est ce que vous allez faire. 76 et les enfants font de nouvelles pro- positions Il écrit au tableau : %'ouverture de la porte déclenche un dispositif qui ferme le circuit de l'alarme". E - Il faut faire tout en un ! E - L'ampoule ne sert plus à rien. La réponse à la proposition d'automatisation est l'objet de nombreux tâtonnements. L'un des groupes propose d'utiliser un moteur (figure 8). Les uploads/Management/ les-relais-pour-enfants.pdf