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Dans Le défi énergétique, l’adulte étudie des problématiques auxquelles l’humain cherche des réponses. Il analyse ou conçoit des applications liées aux ressources énergétiques ou qui consomment de l’électricité. Ainsi, il approfondit ses connaissances sur l’univers technologique, ce qui l’amène à mieux comprendre les objets techniques et les facteurs en cause dans différents problèmes associés à l’ingénierie électrique. Il est par la suite à même de juger des solutions proposées. Ces connaissances, combinées à celles de l'univers matériel pour ce qui est de l’électricité, de l’électromagnétisme et de l’organisation de la matière, lui permettent de comprendre le fonctionnement des composants d’un circuit électrique ou électronique sur les plans qualitatif et quantitatif. De plus, à partir des connaissances acquises sur la Terre et l’Espace, il saisit les impacts environnementaux de la transformation en électricité des ressources énergétiques de la lithosphère, de l’hydrosphère et de l’atmosphère ainsi que du flux d’énergie émis par le Soleil.
(Tiré du programme de la FBD, Science et technologie)
Multimètre
Voltmètre
Ampèremètre
Dans le cas de circuits électriques, identifier et rassembler les composants électriques.
Choisir et agencer les composants électriques en fonction du schéma du circuit.
Relier les composants à l’aide de fils, de connecteurs ou de soudures.
Dans le cas de circuits électroniques, identifier et rassembler les composants électroniques (ex.: relier les composants sur une plaque de circuits imprimés).
Choisir et agencer les composants électroniques en fonction du schéma du circuit.
Effectuer les opérations requises pour le démontage d’un circuit électrique (ex.: utiliser une poire à dessouder pour enlever une soudure.
Utiliser des outils de façon sécuritaire (ex.: faire les ajustements d’un circuit électrique lorsque le courant ne circule pas, conserver un espace de travail dégagé).
Inscrire toutes les informations nécessaires pour expliquer le fonctionnement ou la construction d’un objet.
Utiliser le matériel de façon sécuritaire.
L’énergie est présente dans l’environnement sous diverses formes. Quelle que soit cette forme, elle correspond au travail qu’un système est susceptible de produire. Ce travail implique une force et un déplacement. Avec des moyens appropriés, il est possible de convertir une forme d’énergie en une autre.
Dans un système isolé, l’énergie totale est conservée au cours de ces transformations. Si le système n’est pas isolé, il perd une certaine quantité d’énergie qui est récupérée par le milieu et les systèmes extérieurs avoisinants.
Un corps chaud a une capacité d’action particulière : en se refroidissant, il provoque le réchauffement d’un corps plus froid avec lequel il est en contact.
Note : Seuls les aspects qualitatifs des transformations d’énergie sont traités.
(Programme de la FBD, Science et technologie, p.123)
Décrire la chaleur comme étant une manifestation de l’énergie.
Décrire le lien entre la chaleur et la température.
Définir le rendement énergétique d’un appareil ou d’un système comme étant la proportion de l’énergie consommée qui est transformée en travail efficace (quantité d’énergie utile/quantité d’énergie consommée x 100).
Expliquer comment améliorer le rendement énergétique d’un appareil électrique.
Expliquer qualitativement la loi de la conservation de l’énergie.
Appliquer la loi de la conservation de l’énergie dans divers contextes.
La connaissance de la matière passe également par l’exploration de ses propriétés magnétiques. Certains types de matière ont la propriété de créer un champ magnétique. Des pôles de même nom se repoussent alors que des pôles de noms différents s’attirent. Un courant électrique engendre aussi un champ magnétique, que le fil soit droit ou enroulé. Par convention, les lignes du champ magnétique engendrées par un aimant, qu’il soit naturel ou artificiel, sont déterminées par l’orientation (direction et sens) du pôle Nord de l’aiguille d’une boussole placée dans le même champ. L’identification rapide du sens des lignes de champs magnétiques peut être effectuée en appliquant les règles de la main droite ou de la main gauche, selon que l’on choisit de considérer le sens conventionnel du courant ou le sens réel du mouvement des électrons.
Note : Seuls les aspects qualitatifs sont abordés.
(Programme de la FBD, Science et technologie, p.122)
Décrire le champ magnétique produit par un solénoïde (règle de la main droite).
Nommer des moyens qui permettent de modifier l’intensité du champ magnétique produit par un solénoïde (nature du noyau, intensité du courant, nombre de spires).
Expliquer l’utilisation des solénoïdes dans des applications technologiques (ex.: écouteur, moteur électrique, grue magnétique).
Applications
Grue magnétique
Haut-parleur
Moteur électrique
Écouteur
Moyens de modifier le champ magnétique
Nature du noyau
Intensité du courant électrique
Nombre de spires
Règle de la main droite
Nommer des moyens d’induire un courant électrique dans un fil (ex.: mouvement d’un aimant, variation de l’intensité d’un champ magnétique).
Décrire le champ magnétique produit autour d’un fil parcouru par un courant électrique (règle de la main droite).
Nommer des moyens qui permettent de modifier l’intensité du champ magnétique produit autour d’un fil parcouru par un courant électrique (nature du fil, intensité du courant).
Comparer le comportement d’une boussole dans le champ magnétique d’un aimant et dans celui créé par un fil parcouru par un courant électrique.
Boussole autour d'un fil
La boussole pointe dans la même direction que le champ magnétique; elle est donc perpendiculaire au fil électrique.
(Alloprof)
Boussole autour d'un aimant
Les boussoles sont toujours orientées de la même façon que la ligne de champ magnétique la plus proche et elles pointent vers le pôle sud de l'aimant.
(Alloprof)
La connaissance de la matière présente dans l’environnement passe aussi par l’exploration de ses propriétés électriques. En effet, des charges électriques peuvent apparaître sur certaines matières neutres à la suite de leur frottement avec un objet constitué d’une autre matière. L’apparition de charges électriques s’explique par la mobilité des charges négatives (les électrons) et par leur accumulation à la surface de certaines substances. L’affinité de différents matériaux pour les électrons permet d’expliquer plusieurs phénomènes électriques observés dans la vie quotidienne. Certains éléments et matériaux sont de bons conducteurs d’électricité. Ils sont utilisés pour transmettre le mouvement des électrons dans des circuits électriques. Certains éléments des circuits transforment également une partie de l’énergie électrique en une autre forme d’énergie. Des relations sont établies entre l’énergie électrique consommée et la tension du circuit, l’intensité du courant et le temps d’utilisation. Quant à la puissance électrique d’un appareil, elle est déterminée par sa consommation d’énergie par unité de temps. À ces grandeurs sont associées des unités de mesure.
(Programme de la FBD, Science et technologie, p.121)
Note : En électricité, le travail sur des circuits mixtes n’est pas exigé. L’étude de la loi de Coulomb s’effectue de manière qualitative et quantitative.
Représenter le champ électrique généré par des charges électriques (charges ponctuelles, plaques chargées).
Appliquer la relation mathématique entre la force électrique, les grandeurs des charges électriques et la distance qui les sépare (F = kq1q2/r2).
Appliquer la relation mathématique entre la puissance, la tension et l’intensité du courant dans un circuit électrique (P = U x I).
Décrire qualitativement la relation entre la puissance d’un appareil électrique, l’énergie électrique consommée et le temps d’utilisation.
Appliquer la relation mathématique entre l’énergie électrique consommée, la puissance d’un appareil électrique et le temps d’utilisation (E = P x Δt).
E = P x ∆t
P = U x I
Décrire la répartition du courant électrique dans les composants d’un circuit.
Déterminer la valeur du courant qui circule dans différents composants d’un circuit électrique en série ou en parallèle.
Décrire la répartition de la tension électrique aux bornes de composants d’un circuit.
Déterminer la valeur de la tension aux bornes de différents composants d’un circuit électrique en série ou en parallèle.
Déterminer la résistance équivalente d’un circuit en série ou en parallèle à l’aide des lois d’Ohm et de Kirchhoff.
La loi des boucles
La loi des noeuds
Décrire qualitativement la relation entre la tension, la valeur de la résistance et l’intensité du courant dans un circuit électrique.
Appliquer la relation mathématique entre la tension, la résistance et l’intensité du courant dans un circuit électrique (U=R x I).
Décrire la fonction de divers éléments d’un circuit électrique (ex.: les fils transmettent le mouvement des électrons tout au long du circuit; les résistors transforment l’énergie électrique en une autre forme d’énergie).
Décrire les deux types de branchements (série et parallèle) dans des circuits électriques.
Distinguer le courant alternatif du courant continu.
Représenter un circuit électrique simple à l’aide d’un schéma.
Types de courant électrique
Courant alternatif
Courant continu
Types de branchement
En parallèle
En série
Schéma d'un circuit
Fonctions des éléments d'un circuit
Ex.: les résistors
Ex.: les fils
Décrire l’électricité statique comme un processus de transfert d’électrons d’un corps à un autre.
Transfert d'électrons
Associer les particules subatomiques à leur charge électrique.
Décrire le comportement de charges électriques de signe contraire ou de même signe à proximité l’une de l’autre.
Au cours de l’histoire, différents modèles d’organisation de la matière ont été proposés pour expliquer ses propriétés et ses transformations. La classification dans le tableau périodique permet de mettre en évidence les éléments ayant des propriétés semblables. Les propriétés des métaux, des non-métaux et des métalloïdes sont à l’étude.
(Programme de la FBD, Science et technologie, p.121)
Décrire la position et la charge électrique des particules subatomiques (proton, électron, neutron).
Neutron
Électron
Proton
Décrire le modèle atomique de Rutherford.
Situer les métaux, les non-métaux et les métalloïdes dans le tableau périodique.
Décrire des caractéristiques communes aux métaux, aux non-métaux et aux métalloïdes.
Voir les 21 ressources sur Alexandrie FGA.
Le Soleil émet une quantité phénoménale d’énergie dans tous les domaines du spectre électromagnétique. Depuis longtemps, l’homme utilise la chaleur associée au rayonnement solaire pour répondre à ses besoins. Les capteurs photovoltaïques des panneaux solaires transforment l’énergie rayonnante en énergie électrique.
L’influence gravitationnelle de la Lune sur les masses d’eau à la surface de la Terre est en grande partie à l’origine du phénomène des marées. La force engendrée par les mouvements de l’eau est exploitée dans les centrales marémotrices.
(Programme de la FBD, Science et technologie, p.124)
Décrire le phénomène des marées à l’aide de l’effet gravitationnel du système Terre-Lune.
Les marées
Décrire les principaux facteurs qui influent sur la quantité d’énergie solaire reçue à la surface de la Terre (ex.: réflexion et absorption de l’énergie solaire par l’atmosphère ou les surfaces).
La force du vent offre des avantages. Que ce soit pour se déplacer, effectuer un travail mécanique ou produire de l’énergie électrique, l’homme exploite l’énergie liée au vent au moyen de voiles et de pales dont les matériaux, les formes et les dimensions varient selon les besoins. L’énergie éolienne représente une abondante source d’énergie douce.
(Programme de la FBD, Science et technologie, p.124)
Décrire des moyens technologiques utilisés par les humains pour produire de l’électricité à partir des ressources énergétiques de l'atmosphère.
Décrire les principaux impacts de l’exploitation des ressources
énergétiques de l'atmosphère.
L’ensemble des activités humaines menées sur un bassin donné peut perturber les écosystèmes, par exemple la création d’un réservoir en amont du barrage d’une centrale hydroélectrique.
Qu’il s’agisse des courants marins ou des marées, le déplacement des masses d’eau implique de grandes quantités d’énergie. Les centrales marémotrices, notamment, tirent profit de la force des marées afin de produire de l’énergie électrique.
(Programme de la FBD, Science et technologie, p.124)
Décrire des moyens technologiques utilisés par les humains pour produire de l’électricité à partir des ressources énergétiques de l'hydrosphère.
Décrire les principaux impacts de l’exploitation des ressources
énergétiques de l'hydrosphère.
La lithosphère renferme une grande variété de ressources minérales essentielles au développement des sociétés, qu’il s’agisse de métaux, de minéraux industriels ou de matériaux de construction.
Les moteurs à combustion et les centrales thermiques brûlent des combustibles fossiles qui constituent des sources d’énergie épuisables, tout comme les minerais radioactifs exploités dans les centrales nucléaires. La recherche de nouvelles sources d’énergie et l’utilisation de ressources renouvelables sont deux préoccupations des sociétés actuelles.
(Programme de la FBD, Science et technologie, p.123)
Décrire des moyens technologiques utilisés par les humains pour produire de l’électricité à partir des ressources énergétiques de la lithosphère.
Décrire les principaux impacts de l’exploitation des ressources
énergétiques de la lithosphère.
Impacts
Moyens technologiques
Distinguer un minéral d’un minerai.
Décrire des impacts environnementaux de l’exploitation ou de la transformation de minéraux.
La conception ou l’analyse du circuit électrique ou électronique d’un objet technique ou d’un système technologique repose sur l’appropriation de concepts fondamentaux liés à l’électricité et à l’électronique et sur des pratiques de conception et d’analyse propres à l’ingénierie. La maîtrise de ces concepts rend la personne apte à choisir les bons composants et à les agencer de manière appropriée.
Un tel bagage technique permet de déterminer ou de justifier l’utilisation de formes et de matériaux, de trouver ou d’expliquer des principes de fonctionnement et d’adopter ou de faire ressortir des solutions de construction.
De nombreux objets, systèmes et équipements liés à l’environnement comportent certains des éléments caractéristiques mentionnés ci-dessous.
(Programme de la FBD, Science et technologie, p.120)
Décrire la fonction de quelques composants électroniques (condensateur, diode, transistor, relais).
Relais
Un relais est un dispositif utilisé entre deux circuits électriques et qui permet la commande à distance d'un circuit à haute tension par un circuit à basse tension. (Alloprof)
Diode
Une diode a pour fonction de ne permettre le passage du courant électrique que dans un seul sens. (Alloprof)
DEL
Symbole DEL
Transistor
Un transistor est un dispositif servant à bloquer ou à amplifier un courant. (Alloprof)
Symbole (NPN)
Symbole (PNP)
Condensateur
Un condensateur est un dispositif qui assure la fonction de réserve temporaire d'énergie électrique. (Alloprof)
Symbole
Associer la fonction de transformation de l’énergie à divers composants d’un circuit (ex.: une ampoule transforme l’énergie électrique en lumière et en chaleur).
Décrire les transformations d’énergie qui surviennent durant le fonctionnement d’appareils électriques ou électroniques (ex.: dans un téléphone portable, l’électricité est transformée en lumière pour l’affichage et en vibration pour le son).
Distinguer un interrupteur unipolaire d’un interrupteur bipolaire.
Distinguer un interrupteur unidirectionnel d’un interrupteur bidirectionnel.
Interrupteur unipolaire
Interrupteur bipolaire (commencer à 0:50)
Analyser les facteurs qui influent sur la conductibilité électrique (section, longueur, nature, température d’un conducteur).
Utiliser la codification (code de couleurs) pour déterminer la résistance électrique d’un résistor.
Décrire le fonctionnement d’un circuit imprimé.
Circuit imprimé
Résistance électrique d'un résistor
Codification (code de couleur)
Exemple : résistor
Facteurs de conductibilité électrique
Température
Plus la température du fil est élevée, plus la résistance du fil sera grande et plus sa conductibilité sera petite.
(Alloprof)
Nature
Certains métaux (argent, cuivre, or, aluminium) sont de meilleurs conducteurs que d’autres (fer, plomb).
(Alloprof)
Longueur
Plus un fil est long, plus sa résistance est grande et plus sa conductibilité est petite. En fait, la résistance d’un fil est directement proportionnelle à sa longueur. (Alloprof)
Section
Plus le diamètre du fil est petit, plus sa résistance est grande et plus sa conductibilité est petite. En fait, la résistance d’un fil est inversement proportionnelle à l’aire de sa section, c’est-à-dire au carré de son diamètre (si le fil est cylindrique).
(Alloprof)
Déterminer la source de courant dans des objets techniques comportant un circuit électrique (ex. : pile chimique, pile solaire, alternateur).
Alternateur
Pile solaire
Pile chimique
Fondé sur des modes de représentation géométrique conventionnels et relativement indissociables de l’invention et de l’innovation, le dessin technique est un langage qui permet de préciser, de fixer et de matérialiser sa pensée. Conformément aux règles relatives à leur représentation, certains dessins renferment aussi des informations en rapport avec les standards de l’industrie.
(Programme de la FBD, Science et technologie, p.119)
Représenter les composants et les connexions liés au fonctionnement d’un circuit électrique, à l’aide des symboles appropriés.
Activité: Les défis électroniques
