QUELQUES EXPÉRIENCES POUR ABORDER
LE RISQUE ÉLECTRIQUE EN CLASSE
Virginie ALBE, Jean LASCOURS
École Nationale de Formation Agronomique (E.N.F.A.), Toulouse
MOTS-CLÉS : SÉCURITÉ ÉLECTRIQUE – SITUATION-PROBLÈME
RÉSUMÉ : Nous présentons ici quelques expériences simples à partir de matériel courant pour étudier le risque électrique en classe. La démarche adoptée consiste à perturber les conceptions erronées des élèves par des expériences déstabilisantes. Les situations-problèmes proposées portent notamment sur l’électrisation par le sol, la mise à la terre d’un appareil électrique, la résistance du corps humain, le fonctionnement du disjoncteur différentiel.
SUMMARY : We present some easy experiments made from ordinary material to study electric risk in class.
1. INTRODUCTION
Dans l’enseignement agricole, le risque électrique est enseigné depuis la Troisième Technologique jusqu’au Brevet de Technicien Supérieur Agricole. Dans les différents programmes, il s’agit notamment d’étudier les principales normes de sécurité. Les recommandations pédagogiques signalent en particulier que les dangers de l’électrocution doivent être expliqués avec précision. Parmi les compétences attendues, il est par exemple indiqué que les élèves doivent être capables de reconnaître la nature des fils d’une installation domestique (phase, neutre, terre), d’expliquer le rôle de la prise de terre et du disjoncteur différentiel et de raisonner la protection des matériels et des personnes.
Par ailleurs, de nombreux travaux ont mis en évidence les conceptions des apprenants dans le domaine de l’électrocinétique. J.-J. Dupin et S. Joshua ont notamment étudié l’évolution des conceptions des élèves concernant le courant électrique au cours de l’enseignement.
• Ils ont montré que l’idée selon laquelle un circuit fermé est nécessaire pour que le courant circule s’acquiert assez facilement.
• En revanche, l’idée selon laquelle une ampoule «consomme une part du courant électrique» a la vie dure (50% en fin de Seconde). Pour ces élèves, l’analyse d’un circuit est séquentielle (par opposition à globale) : le courant s’affaiblit en aval du dipôle sans répercussion en amont. Une telle analyse peut traduire une confusion entre la notion de courant électrique telle que l’entend le professeur (circulation d’électrons) et une image mentale intuitive (circulation «d’énergie électrique»).
D’autre part, l’utilisation du vocabulaire « intensité du courant », que l’on appelle aussi le « courant » peut être source de difficultés. En effet, à tous les niveaux scolaires, le raisonnement en « courant » est absolument majoritaire, sauf pour des situations élémentaires (adaptation d’une ampoule à une pile). J.-J. Dupin et S. Joshua ont d’ailleurs montré qu’à la fin de la classe de Seconde, 50% des élèves affirment qu’une pile délivre la même intensité quel que soit le circuit. Cette erreur se retrouve encore souvent à un niveau plus élevé dans les résolutions d’exercices, même si le cours est su. On peut alors s’interroger sur la compréhension des élèves du rôle de l’intensité dans l’étude du risque électrique.
De plus, des difficultés peuvent être liées à la notion de tension. Dupin et Joshua ont montré que la notion de tension, même lorsque sa définition et ses propriétés sont connues, n’est pratiquement jamais utilisée spontanément – c’est-à-dire lorsque des questions de l’énoncé ne s’y rapportent pas explicitement – pour résoudre un problème.
2. LE RISQUE ÉLECTRIQUE
Par ailleurs, des difficultés d’apprentissage de la notion de risque électrique peuvent être liées au vocabulaire « basse tension ». En effet, l’action du courant électrique sur le corps humain dépend, entre autres, de la tension du courant et le risque encouru peut sembler anodin aux personnes non averties, simplement à cause du vocabulaire utilisé pour définir l’aspect « quantitatif » de la tension électrique. La classe « basse tension » peut être considérée à tort comme une garantie de non exposition aux dangers électriques. Toutes les tensions électriques délivrées par le réseau de distribution publique sont mortelles, y compris la basse tension.
De plus, la nature du risque électrique peut engendrer des difficultés pour les élèves. Le danger électrique est abstrait, non apparent et, sauf cas exceptionnels, impossible à détecter par nos sens ; rien n’est plus ressemblant que deux conducteurs dont l’un est sous tension et l’autre hors tension.
Dans ce contexte, nous proposons des expériences simples pour étudier le risque électrique en classe. La démarche adoptée consiste à perturber les conceptions erronées des élèves par des expériences déstabilisantes.
3. DES EXPÉRIENCES DESTABILISANTES
Figure 1 : Un bricoleur imprudent.
3.1 Une preuve sonore (mais non éclairante !) que l’eau est conductrice
Des expressions connues du grand public évoquent les dangers du courant électrique et, en particulier, l’augmentation des risques avec la présence d’eau : « l’eau et l’électricité ne font pas bon ménage », « la pire des situations consiste à se trouver pieds nus sur un sol humide » (Figure 1).
Des exemples d’électrocutions intervenues dans des cas semblables, y compris celle de la mort d’un certain chanteur dans sa baignoire, sont utilisés pour mettre en garde le public.
Figure 2 : Extrait du manuel Sciences Physiques, 6ème
, Collection Durandeau, Hachette.
Les manuels scolaires sont nombreux à présenter, sous forme de bandes dessinées, une personne dans son bain munie d’un sèche-cheveux (Figure 2).
Comme il est difficile d’expérimenter en vraie grandeur dans ce domaine, il peut sembler judicieux de réaliser des expériences (en toute sécurité) qui montrent que l’eau est conductrice.
Un montage classique (utilisé dès l’école primaire) permet de montrer que certains matériaux sont conducteurs.
Il s’agit du traditionnel circuit qui comprend une pile de lampe de poche, une ampoule et deux pinces crocodiles. Si on place entre les deux pinces un élément conducteur, l’ampoule brille. Si le matériau est isolant, l’ampoule ne brille pas. Ce dispositif rudimentaire trouve ses limites avec des matériaux résistants ; si le courant qui traverse l’ampoule n’est pas suffisant pour faire rougir le filament l’expérimentateur ne peut pas savoir s’il s’agit d’un isolant ou d’un conducteur résistant. Il semble que cet aspect soit négligé par les élèves qui ont tendance à simplifier : si l’ampoule brille, le matériau laisse passer le courant, sinon, il ne le laisse pas passer.
Pour déterminer si l’eau du robinet est conductrice on peut donc penser à plonger les deux contacts dans un verre d’eau ; dans ce cas, l’ampoule ne brille pas et il peut être tentant d’en tirer des conclusions erronées. Pour mettre en évidence la conduction dans l’eau à partir de tensions très basses, il faut utiliser un détecteur de courant plus sensible.
Figure 3 : Conduction dans l’eau.
Nous utilisons donc en lieu et place de l’ampoule un buzzer piézo-électrique. Cet appareil présente l’avantage de fonctionner avec des tensions très basses (à partir de 1,5V) et surtout ne consomme qu’un courant très faible (quelques centaines de microampères). Il suffit de plonger les deux pinces de notre appareil dans un verre d’eau pour entendre siffler le buzzer et nous avons bien montré que l’eau peut conduire le courant électrique (Figure 3).
Une discussion doit ensuite être engagée sur les conditions qui favorisent les risques (intensité, région du corps traversée, durée, …). On peut aussi verser du sel dans l’eau ou autres produits et montrer par le changement d’intensité sonore du buzzer les variations de conductivité de l’eau en suivant la nature des corps dissous.
3.2 Le corps humain est conducteur
Le dispositif utilisé précédemment avec une pile et une ampoule ne permet pas non plus de montrer que le corps humain est conducteur. Le courant qui permettrait d’allumer une ampoule de lampe de poche serait mortel. Il faut ici aussi faire appel à des détecteurs plus sensibles tels que les buzzers piézo-électriques. Différents essais peuvent être conduits avec les mains sèches ou mouillées, en serrant plus ou moins fort les contacts. Dans un deuxième temps, on peut utiliser un multimètre pour mesurer le courant qui traverse une personne d’une main à l’autre par exemple. En rapprochant cette valeur du courant de la valeur de la tension du générateur (pile de 4,5V), on peut laisser prévoir que le seuil dangereux pourrait être atteint avec la tension du secteur.
3.3 La vache et le prisonnier
La clôture électrique qui maintient un troupeau de vaches dans un pré est efficace car les ruminants qui l’ont touchée évitent de recommencer. Il en va de même pour les humains qui ont connu pareille mésaventure. Certes le choc n’a rien d’agréable mais ni les vaches ni les humains ne passent de vie à trépas (Figure 4).
Figure 4 : Clôture électrique.
Pourtant, la tension présentée par la clôture électrique est de l’ordre de 10 000 V. Les clôtures électrifiées de certains camps qui retiennent des prisonniers font courir à ceux-ci un danger mortel et la tension présente ne dépasse pas 5 000V. On peut imaginer qu’à la lecture de ces propos, une question naïve soit posée : « Existerait-il des volts dangereux et d’autres non ! ».
Le dispositif :
La manipulation décrite ici ne prétend pas apporter une réponse complète à cette question mais peut-être quelques éléments. Elle ne peut pas rendre compte de facteurs tels que la nature du courant ou des conditions dans lesquelles ce courant peut atteindre une personne. Des résultats surprenants en
désaccord avec les prévisions habituelles peuvent illustrer ou faire découvrir la notion de résistance interne d’un générateur de tension.
Figure 5 : Des piles surprenantes.
Le dispositif se compose de trois piles de 4,5V en bon état dont la tension à vide est voisine de 4,5V, de six raccords en fil rigide. Une ampoule de lampe de poche adaptée à ces piles (3,5V – 0,3A) est montée sur un support relié à ces raccords. On monte les raccords sur les piles, on mesure et on note la tension de ces trois piles que l’on dispose dans l’ordre de tension croissante (Figure 5).
La manipulation :
On branche l’ampoule sur les douilles de la première pile (qui présente la tension la plus faible) ; elle éclaire normalement. On demande alors au public de prévoir comment l’ampoule va éclairer si on la branche successivement sur les autres piles (dont la tension à leurs bornes est plus grande ou légèrement plus grande). La simplicité du dispositif mis en œuvre et « l’expérience du vécu » de chacun conduit à ce que les personnes interrogées prévoient que l’ampoule va éclairer soit un peu plus soit sensiblement de la même façon pour les deux autres piles. Le résultat obtenu est surprenant car, avec la deuxième pile, l’ampoule n’éclaire que faiblement et avec la troisième, qui présente pourtant la tension la plus grande, le filament de l’ampoule ne rougit même pas. On retire alors l’ampoule et procède à une vérification des tensions des trois piles pour constater qu’il n’y avait pourtant pas d’erreur de mesure. Nous voici, à l’image des situations évoquées précédemment, en présence de générateurs présentant des tensions voisines, mais avec des possibilités très différentes. L’obstacle rencontré provoque habituellement de vives discussions qui mettent en évidence des conceptions erronées ou en tout cas variées, dans le domaine de l’électrocinétique.
La solution :
Le cœur de l’énigme réside dans l’interposition d’une résistance de 10 Ohms cachée dans une gaine à l’extrémité d’un connecteur (pour la deuxième pile) et d’une résistance de 100 Ohms à l’extrémité d’un autre connecteur (pour la troisième pile). Les connecteurs de la première pile sont « normaux », ils ne comportent pas de résistance. L’ensemble pile-connecteur-résistance sur laquelle on branche l’ampoule
constitue un générateur de tension dont la résistance interne est artificiellement augmentée. La manipulation revient à brancher une ampoule sur des générateurs de résistance interne très différentes.
1.3 Différentes façons de s’électrocuter (Figure 6).
Figure 6 : L’oiseau sur le fil.
Cette maquette est constituée d’une ligne électrique d’une longueur de 30 cm environ. Les fils qui la composent sont supportés par deux pylônes. Une extrémité de la ligne peut être connectée à un générateur de tension (4,5V à 12V par exemple) et l’autre extrémité reliée à une prise de courant d’installation domestique fixée sur la maquette.
Le plan qui supporte la maquette est constitué d’une plaque de circuit imprimé cuivré, la face cuivre représentant le sol conducteur. On dispose de plus d’accessoires qui représentent l’un, un oiseau et l’autre, un pêcheur muni d’une canne à pêche (conductrice).
Figure 7 : L’oiseau électrocuté.Figure 8 : Un pêcheur à la ligne.
Le corps de l’oiseau est un buzzer électromagnétique, sa tête est une ampoule et ses ailes sont réalisées avec du fil de cuivre étamé. Ses pattes conductrices se terminent par des pinces crocodiles miniatures ; elles permettent à l’oiseau de se « poser » sur un fil et de rester en équilibre.
La mise sous tension provoque l’allumage de l’ampoule et l’apparition d’un son puissant et désagréable du buzzer traduisant l’effroi et la douleur de l’animal qui s’électrocute.
Le pêcheur est un sujet en matière plastique qui tient une canne à pêche dont la grandeur lui permet d’atteindre les fils de la maquette (Figure 7 & Figure 8).
Son sac à dos est constitué par un buzzer électromagnétique. Il est possible de rajouter une ampoule miniature (rouge par exemple) pour accentuer l’impression de douleur au moment d’une « électrocution » du sujet.
Utilisations :
Une question que posent fréquemment les élèves : « Comment se fait-il que l’oiseau posé sur un fil ne s’électrocute pas ? » demande parfois de longues explications pour convaincre. L’idée que, si on touche un conducteur sous tension, on « prend le courant » systématiquement, est solidement enracinée. Pour aider à convaincre, on peut poser l’oiseau sur un fil et constater qu’il ne « s’électrocute pas » et chercher sur la maquette quel pourrait être le trajet du courant.
Si maintenant on dispose l’oiseau de telle sorte que ses ailes touchent à la fois les deux fils, instantanément retentit le « cri de douleur » accompagné de lumière qui suggère le feu, la brûlure. La pratique a montré que les élèves, dans cette situation concrète, semblent se sentir plus concernés que par des raisonnements abstraits à partir de schémas ; ils vivent en quelque sorte une situation d’électrocution, un accident par oiseau interposé. La recherche du trajet du courant sur la maquette permet de donner un peu plus de réalité au phénomène et peut compléter le discours à la manière d’une preuve.
Figure 9 : Les doigts dans la prise.
Dans le même esprit, il suffit de faire se promener le pêcheur au voisinage de la ligne en le faisant glisser sur le sol pour amener la canne à pêche en contact avec un fil. Si ce fil est le fil de phase le son criard du buzzer traduit et accompagne le choc électrique habituellement mortel pour de vrais pêcheurs. Le même personnage peut être conduit à venir toucher la prise de courant avec sa main. Ici aussi, l’« électrocution » intervient avec la borne reliée à la phase et pas avec celle qui est reliée au neutre (Figure 9).
Nous abordons ici un sujet traité à plusieurs reprises au cours d’une scolarité et toujours accompagné de son cortège de conceptions erronées et tenaces.
Nous pensons que cette maquette peut aider à répondre à des questions récurrentes du type « quelle est la différence entre phase et neutre ? », « les deux bornes du secteur, jouent-elles le même rôle ? », « pourquoi la phase est-elle dangereuse et pas le neutre ? ».
1.4 Le disjoncteur différentiel
Dans une installation électrique (domestique, laboratoire, …) se trouvent placés des disjoncteurs différentiels. Dans le cadre de la sécurité des installations et des personnes, les programmes scolaires prévoient à de nombreux niveaux l’étude du disjoncteur différentiel. Des schémas prototypiques représentent un utilisateur qui touche la carcasse métallique d’un appareil (souvent une machine à laver) dont le fil de phase est accidentellement réuni au bâti métallique. Le trajet du courant qui traverse la personne et emprunte le sol pour revenir au générateur est également représenté pour bien convaincre du danger (Figure 10).
Figure 10 : extrait du manuel Sciences Physiques, 6ème, Collection Durandeau, Hachette.
Figure 11 : extrait du manuel Sciences Physiques, 6ème, Collection Durandeau, Hachette.
C’est habituellement dans ces ouvrages que l’on trouve le schéma du disjoncteur différentiel. Ce schéma représente généralement sur un tore les deux bobines en série avec la ligne et la bobine qui recueille la tension différentielle pour activer l’ouverture du circuit.
Pour expliquer le fonctionnement, les enseignants utilisent parfois un disjoncteur du commerce. Il peut sembler intéressant de le démonter pour retrouver les éléments étudiés en théorie.Or, la disposition des éléments et les circuits annexes qui s’y trouvent sont tels que l’on ne reconnaît rien dans un amoncellement de pièces qui ne laisse qu’une impression de grande complexité. Il nous semble que la grande distance qui sépare souvent un schéma théorique et le montage réel peut constituer un obstacle
pour l’élève. La maquette que nous proposons n’a pas d’autre prétention que de montrer un dispositif à mi-chemin entre le schéma théorique et la réalisation pratique (Figure11).
Nous utilisons dans cette maquette les éléments démontés d’un véritable que nous plaçons sur une plaque de telle sorte que les pièces soient disposées comme dans les schémas théoriques. Les composants sont connectés afin que le dispositif puisse fonctionner réellement (Figure 12).
Figure 12 : Maquette disjoncteur différentiel.
La maquette constitue donc un schéma « vivant » car on retrouve effectivement une correspondance entre les pièces et les symboles et de plus, il fonctionne avec des composants d’un vrai disjoncteur. Il est possible ensuite pour achever le passage du schéma théorique au montage réel d’observer un appareil ouvert et de reconnaître les différentes parties étudiées.
4. CONCLUSION
Nous avons proposé des expériences simples pour contextualiser les situations envisagées en classe pour étudier le risque électrique. Ces expériences déstabilisantes doivent permettre de perturber les conceptions erronées des élèves. À partir de la prise en compte des conceptions des élèves sur le courant électrique, et de la nature du risque électrique, il s’agit de mettre en place des stratégies d’apprentissage adaptées aux difficultés liées au risque électrique Mais, comme le signale Giordan, « la déstabilisation n’est jamais immédiate, elle s’effectue par à-coups et peut prendre un temps très long. ».
BIBLIOGRAPHIE
CLOSSET J.-L., D’où proviennent certaines « erreurs» rencontrées chez les élèves et les étudiants en électrocinétique ? Peut-on y remédier ?, B.U.P., 1983, 657, 81-102.
CLOSSET J.-L, Les obstacles à l’apprentissage de l’électrocinétique, B.U.P., 1989, 716, 931-949. DUPIN J.-J., JOSHUA S., L’électrocinétique du collège à l’université, B.U.P., 1986, 683, 779-800. GIORDAN A., Apprendre !, Paris : Belin, 1998.
