·Objectif : Expliquer le passage du courant électrique dans les
métaux.
·Niveau : 3ème
·Durée de la séquence : 25 min
·Pré requis : -Savoir que les métaux sont des
conducteurs de courant électrique.
-Connaître
la structure d’un atome (constituants et charges électriques).
·Problèmes techniques :
Cette
étude nécessite l’installation sur chaque station de votre salle informatique
du logiciel gratuit ANIMELEC téléchargeable sur le
site ftp://ftp.discip.crdp.ac-caen.fr/discip/phch/college/troisieme/
·B2I :
Il
est possible d’évaluer une compétence du domaine 3 du B2I collège à partir de cette
activité :
« C.3.6 : Je sais utiliser un outil de simulation. »
·Déroulement de la
séquence :
5 min : Mise en place et prise
d’informations :
1-Les élèves peuvent se placer en binôme sur chaque
station afin d’échanger leurs opinions sur les questions posées.
2-Les élèves doivent attentivement lire le texte
avant de lancer le logiciel.
20 min : Détermination du mouvement des
électrons libres selon les circonstances :
1-L’élève
lance l’animation et identifie les atomes et les électrons libres sur
l’animation.
®L’élève identifie
parfaitement les électrons libres mais prend souvent les sphères vertes pour
des noyaux d’atomes.
2-L’élève
ferme l’interrupteur tout en conservant une tension de 0V entre les bornes du
générateur et constate que le mouvement des
électrons
libres est désordonné.
®Le professeur peut
mentionner que dans chaque objet métallique de la class
« fourmillent » sur place des électrons libres.
3-L’élève
augmente progressivement la tension entre les bornes du générateur et constate
que les électrons libres se déplacent de plus en
rapidement
et dans le même sens (de la borne négative vers la borne positive) et précise
le rôle du générateur.
®A ce stade le professeur
insiste sur le fait que le générateur ne fabrique pas les électrons libres mais
se contente de les mettre en
mouvement.
4-L’élève
complète le schéma du circuit électrique à l’aide de flèches colorées en
comparant le sens de déplacement des électrons
libres
par rapport au sens conventionnel du courant.
®La question « pourquoi
avoir choisi le sens du courant opposé au sens de déplacement des électrons
libres ? » est inévitable car, à ce
stade, la conduction électrique dans les solutions
n’a pas encore été étudiée.
·Remarque : Si l’élève se fie à
la simulation, il peut conclure que les électrons libres se déplacent très
rapidement puisque, lorsqu’il
allume
une lampe, la lampe s’allume instantanément après avoir fermé l’interrupteur.
Afin de gommer cette fausse représentation, le
professeur
peut utiliser des balles de tennis alignées mais collées qui symbolisent les
électrons libres. Un faible déplacement de la balle
placée
en queue de peloton met instantanément en mouvement la balle en début de file
ce qui prouve que le « signal de départ » (c’est à
dire
le courant électrique) se propage très rapidement alors que chaque balle
(chaque électron libre) se déplace lentement.
®Ceci permet de montrer qu’un
modèle ne correspond pas exactement à la réalité mais a simplement pour but
d’expliquer des
phénomènes
observés et que chaque modèle a ses limites.
®La simulation présentée est
un programme créé par l’homme ce qui permet d’évaluer la compétence C.3.6 : Je sais utiliser un outil de simulation".
empilement d’atomes dans un métal
Objectif: Expliquer le passage du courant électrique dans les métaux.
Au
microscope, on découvre qu'un métal est constitué de minuscules cristaux. Dans
chaque cristal,
les
atomes de métal sont rangés de façon régulière. La plupart des électrons d'un
atome de métal
sont
solidement rattachés au noyau, mais certains de ces électrons, appelés
électrons libres, peuvent
se
déplacer avec facilité d'un atome à l'autre. Globalement, le métal reste
électriquement neutre car
les
électrons libres ne quittent pas le métal.
Travail à effectuer:
1-Double
-clique sur l'icône « animelec » du bureau qui lance un petit
programme présentant une
modélisation
de la conduction électrique dans les métaux.
2-Le
schéma représente un circuit électrique en série comprenant un générateur de
tension variable,
un interrupteur et un objet en métal représenté d'un
point de vue microscopique.
a) L'interrupteur étant ouvert, lance «l 'animation » et complète le texte suivant:
Les sphères
vertes représentent les ................................. et les points rouges
représentent les ............................................
b) Ferme l'interrupteur tout en conservant une tension de 0V entre les bornes du générateur, relance l'animation et complète le texte
suivant:
Lorsque le
conducteur métallique n'est soumis à aucune tension électrique, le mouvement
des électrons libres est ..........................
c) L'interrupteur étant toujours fermé, applique une
tension de 1V entre les bornes du conducteur métallique et lance l'animation.
Répète
ensuite cet opération pour des tensions plus élevées puis complète le texte:
Lorsque le
conducteur métallique est soumis à une tension électrique de la part d'un
générateur, les électrons libres ont un
mouvement................................................... Ils se déplacent
de la borne .................. vers la borne ................. Le rôle du
générateur est de .................................................................................................................................................................................................................
3-Le circuit électrique peut
être schématisé de la façon ci-contre:
b) Représente par des flèches bleues le sens de
déplacement des électrons libres et par des flèches rouges
le sens conventionnel du courant.
c) Compare le sens conventionnel du courant au sens
de déplacement des électrons libres:
....................................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................................
...............................................................................................…………………………………………….