Pâte électrique

Matériaux nécessaires

• Pâte conductrice (voir recette ci-dessous)
• Pâte non conductrice / isolante (voir recette ci-dessous)
• piles AA
• Packs de batteries avec bornes
• LED (taille 10 mm recommandée)
• Fil avec pinces crocodile

Matériel optionnel (tableau des possibilités)

• Mini moteurs électriques à courant continu
• Ventilateurs, buzzers et autres composants

Recette de pâte conductrice

Ingrédients :

• tasse d'eau 1
• 1 1⁄2 tasse de farine
• 1⁄4 tasse de sel
• 3 cuillères à soupe. crème tartare
• 1 cuillères à soupe. huile végétale
• Colorant alimentaire

1. Mélangez l'eau avec 1 tasse de farine, le sel, la crème de tartre, l'huile végétale et le colorant alimentaire dans une casserole de taille moyenne.
2. Cuire le mélange à feu moyen en remuant continuellement.
3. Continuez à remuer jusqu'à ce que le mélange forme une boule au centre du pot.
4. Placez la boule sur une surface légèrement farinée. La pâte sera très chaude. Laissez-le refroidir pendant quelques minutes avant de le manipuler.
5. Pétrir la 1⁄2 tasse de farine restante dans la boule jusqu'à ce qu'elle atteigne la consistance désirée.
6. Conservez la pâte dans un récipient hermétique.

Recette de pâte non conductrice / isolante

Ingrédients :

• 1 1⁄2 tasse de farine
• 1⁄2 tasse de sucre
• 3 cuillères à soupe. huile végétale
• 1⁄2 tasse d'eau (déionisée ou distillée est préférable, mais l'eau du robinet peut être utilisée)

1. Mélangez 1 tasse de farine, le sucre et l'huile dans un bol.
2. Incorporer une petite quantité d'eau. Continuez à ajouter de l'eau et remuez jusqu'à ce que la majeure partie de l'eau soit absorbée.
3. Une fois que le mélange a la consistance de petits grumeaux séparés, pétrissez le mélange avec vos mains jusqu'à ce qu'il forme un seul morceau.
4. Ajouter de l'eau à la pâte et continuer à pétrir jusqu'à ce qu'elle ait une texture collante semblable à une pâte.
5. Ajoutez un peu de farine restante et pétrissez-la dans la pâte jusqu'à ce qu'elle ait atteint la texture désirée.
6. Conservez la pâte dans un contenant hermétique.

Matériaux

• Utiliser des éléments du kit de construction

Processus

1. Commencez par une boule de pâte conductrice. Insérez les fils de la batterie dans les côtés opposés de la pâte. Insérez une LED dans la pâte. Regardez ce qui se passe.
2. Ensuite, séparez la pâte conductrice en deux morceaux. Insérez un fil de batterie dans un morceau de pâte et l'autre dans l'autre morceau de pâte. Maintenant, insérez la LED avec un plomb dans un morceau de pâte et l'autre plomb dans le deuxième morceau de pâte. Regardez ce qui se passe.
3. Ensuite, retirez la LED et retournez-la, avec les fils dans la direction opposée. Regardez ce qui se passe. Documentez pourquoi vous pensez que cela s'est produit.
4. Avec la LED en position allumée, touchez les deux morceaux de pâte ensemble. Regardez ce qui se passe. Documentez pourquoi vous pensez que cela s'est produit.
5. Ajouter un morceau de pâte isolante entre les deux morceaux de pâte conductrice et les attacher pour qu'ils se touchent. Avec la LED à cheval sur la pâte isolante et insérée dans les deux sections de pâte conductrice. La LED est-elle allumée?
6. Utilisez la pâte conductrice et isolante pour créer un circuit en série avec au moins deux LED. Que remarquez-vous à propos des lumières? Documentez pourquoi vous pensez que cela s'est produit.
7. Utilisez la pâte conductrice et isolante pour créer un circuit parallèle avec trois LED. Que remarquez-vous à propos des lumières? En quoi sont-ils différents des lumières du circuit série? Documentez pourquoi vous pensez que cela s'est produit.

Conférence TED: AnnMarie Thomas

Source: Chaîne YouTube TED

Circuit Squishy Sculpture d'AnnMarie Thomas

Source: Chaîne YouTube de l'Université de St. Thomas

Défi de conception

Vous êtes un ingénieur travaillant à la conception et à la réalisation de créations conductrices d'électricité à partir de pâte.

Critères

• Doit utiliser deux types de pâte (conductrice et non conductrice)
  pour alimenter la (les) LED (s).

contraintes

Complétez votre sculpture dans le temps imparti.

1. Divisez la classe en équipes de 2.
2. Distribuez la fiche de travail de la pâte électrique et les recettes de la pâte conductrice et non conductrice.
3. Discutez des sujets dans la section Concepts d'arrière-plan.
4. Passez en revue le processus de conception technique, le défi de conception, les critères, les contraintes et les matériaux. Si le temps le permet, passez en revue «Applications du monde réel» avant de lancer le défi de conception.
5. Avant de demander aux élèves de commencer à réfléchir et à esquisser leurs conceptions, demandez-leur de prendre en compte les éléments suivants
   ● Fonctionnement des circuits série et parallèle
   ● Les différences entre les matériaux conducteurs et isolants
   ● Qu'est-ce qu'un court-circuit?
   ● Qu'est-ce que la polarité?
6. Fournissez à chaque équipe son matériel.
7. Expliquez que les élèves doivent préparer une pâte conductrice et non conductrice (isolante). Ils testeront la pâte en réalisant différents circuits à l'aide de lumières LED.
8. Annoncez le temps dont ils disposent pour concevoir et construire (1 heure recommandée).
9. Utilisez une minuterie ou un chronomètre en ligne (fonction de compte à rebours) pour vous assurer de rester à l'heure. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Donnez aux élèves des «contrôles de temps» réguliers pour qu'ils restent concentrés sur la tâche. S'ils éprouvent des difficultés, posez des questions qui les mèneront plus rapidement à une solution.
10. Les équipes font leur pâte.
11. Testez la pâte en suivant les étapes de test de la section Matériaux et processus de test.
12. Les équipes doivent documenter les résultats de chaque étape de test.
13. En classe, discutez des questions de réflexion des élèves.

Variations

Utilisez des lumières LED, des moteurs, des buzzers, des ventilateurs ou tout autre matériau pour faire preuve de créativité!

Circuits

La boucle que traverse l'électricité s'appelle un circuit. Un circuit commence au niveau d'une source d'alimentation, telle qu'une batterie, et circule à travers des fils et des composants électriques (tels que des lumières, des moteurs, etc.). Il existe deux types de circuits: les circuits en série et les circuits en parallèle.

Circuits en série

Les circuits en série ne permettent à l'électricité de circuler que sur un seul chemin. Dans un circuit en série avec des LED, les LED plus éloignées de la source d'alimentation sembleront plus faibles, car moins d'électricité est disponible pour les alimenter. Si une LED devait griller ou être retirée dans un circuit en série, toutes les lumières qui la suivaient s'éteindraient également, car le seul chemin vers les lumières restantes serait déconnecté.

Circuits parallèles

Les circuits parallèles permettent à l'électricité de traverser plusieurs chemins. Dans un circuit parallèle avec des LED, chaque LED reçoit de l'électricité directement le long de son propre chemin. Chaque LED peut briller, peu importe
où il se trouve, car l'électricité atteint directement chaque LED. De plus, dans un circuit parallèle, si une lumière s'éteint ou est supprimée, les autres continueront à briller.

Matériaux conducteurs et isolants

Matériaux conducteurs: permettent à l'électricité de circuler à travers eux. Pouvez-vous penser à certains matériaux conducteurs d'électricité?

Matériaux isolants: ne laissez pas l'électricité les traverser. Pouvez-vous penser à des matériaux isolants? L'isolation est mesurée en résistance. Plus un matériau est isolant, plus il a de résistance. La pâte isolante avec laquelle vous travaillerez est résistive, ce qui signifie que peu d'électricité peut la traverser. Les isolateurs agissent comme un mur qui bloque l'électricité.

Court-circuit

Un court-circuit se produit lorsque des fils qui ne sont pas censés entrer en contact les uns avec les autres se touchent. C'est pourquoi une LED ne s'allume pas lorsqu'elle est insérée dans un seul morceau de pâte conductrice ou dans
deux morceaux de pâte conductrice qui se touchent ensuite.

Polarité

La direction du courant dans un circuit est appelée polarité. Dans cette activité, le fil rouge de la batterie est le pôle positif et le fil noir est le pôle négatif. Certains composants électroniques ont également un côté positif et négatif et doivent être fixés dans le bon sens pour fonctionner.

Les LED de cette activité ont chacune deux fils, un court et un long. Le plomb le plus long va du côté positif et le plus court du côté négatif.

Réflexion étudiante (cahier d'ingénierie)

1. L'électricité emprunte toujours le chemin de la moindre résistance. À l'étape 1, pourquoi pensez-vous que la LED ne s'est pas allumée lorsqu'elle a été insérée dans un morceau de pâte conductrice? À l'étape 4, pourquoi pensez-vous que la LED s'éteint lorsque les deux morceaux de pâte conductrice se touchent?
2. La pâte conductrice est composée d'eau, de farine, de sel, de crème de tartre et d'huile végétale. La pâte isolante est composée d'eau, de farine, de sucre et d'huile végétale. Selon vous, qu'est-ce qui fait qu'une pâte est conductrice d'électricité et l'autre non?
3. Selon vous, quels autres matériaux sont conducteurs?
4. Selon vous, quels autres matériaux sont isolants?

La leçon peut être faite en aussi peu qu'une période de cours pour les élèves plus âgés. Cependant, pour aider les élèves à ne pas se sentir pressés et pour assurer la réussite des élèves (en particulier pour les élèves plus jeunes), divisez la leçon en deux périodes en leur donnant plus de temps pour réfléchir, tester des idées et finaliser leur conception. Faites les tests et faites le compte rendu lors de la prochaine période de classe.

• Conducteur: Matériau qui permet à l'électricité de le traverser.
• Isolant: Matériau qui ne permet pas à l'électricité de le traverser.
• Résistance: L'isolation est mesurée en résistance. Plus un matériau est isolant, plus il a de résistance.
• Circuit: La boucle que traverse l'électricité. Un circuit commence à une source d'alimentation, telle qu'une batterie, et circule à travers des fils et des composants électriques (tels que des lumières, des moteurs, etc.).
• Circuit en série: Permet à l'électricité de circuler sur un seul chemin.
• Circuit parallèle: Permet à l'électricité de circuler sur plusieurs chemins.
• Court-circuit: Lorsque des fils qui ne sont pas censés entrer en contact les uns avec les autres se touchent.

Connexions Internet

• Circuits Squishy
• Makerspaces.com: Circuits squishy
• Anne Marie Thomas : Science pratique avec des circuits spongieux

lecture recommandée

• Électronique pour enfants: jouez avec des circuits simples et expérimentez avec l'électricité! (ISBN: 978-1593277253)
• Guide des circuits pour débutants: neuf projets simples avec lumières, sons et plus encore! (ISBN: 978-1593279042)
• Construire des circuits squishy (ISBN: 978-1634727235)
• The Big Book of Makerspace Projects: Inspiring Makers to Experiment, Create and Learn (ISBN: 978-1259644252)

Activité d'écriture

Dans cette activité, vous construirez des objets en utilisant un matériau qui peut conduire l'électricité. Cela vous permettra d'ajouter des lumières, des moteurs, des ventilateurs et d'autres éléments électriques à votre création. Chris Tuan, ingénieur civil à l'Université du Nebraska, Lincoln a développé une formule pour fabriquer du béton conducteur qui peut être utilisé pour fabriquer des routes et des trottoirs qui peuvent faire fondre la glace et la neige. Si vous pouviez construire un bâtiment avec des matériaux conducteurs, comment utiliseriez-vous ses propriétés électriques?

Alignement sur les cadres de programmes

Remarque: Tous les plans de cours de cette série sont alignés sur les normes d'informatique de la maternelle à la 12e année de la Computer Science Teachers Association, les US Common Core State Standards for Mathematics et, le cas échéant, également sur les principes et normes du Conseil national des enseignants de mathématiques pour l'école. Mathematics, les Standards for Technological Literacy de l'International Technology Education Association et les US National Science Education Standards, produits par le National Research Council.

Normes scientifiques de la prochaine génération

Les étudiants qui font preuve de compréhension peuvent

• 3-5-ETS1-1. Définissez un problème de conception simple reflétant un besoin ou un besoin qui inclut des critères spécifiés de succès et des contraintes sur les matériaux, le temps ou le coût.
• 3-5-ETS1-2. Générez et comparez plusieurs solutions possibles à un problème en fonction de la capacité de chacune d'entre elles à répondre aux critères et aux contraintes du problème.
• 3-5-ETS1-3. Planifier et effectuer des tests équitables dans lesquels les variables sont contrôlées et les points de défaillance sont considérés pour identifier les aspects d'un modèle ou d'un prototype qui peuvent être
  amélioré.
• 4-PS3-2. Faire des observations pour prouver que l'énergie peut être transférée d'un endroit à l'autre par le son, la lumière, la chaleur et les courants électriques
• 4-PS3-4. Appliquez des idées scientifiques pour concevoir, tester et affiner un appareil qui convertit
  l'énergie d'une forme à une autre.
• MS-ETS1-1. Définir les critères et les contraintes d'un problème de conception avec suffisamment
  précision pour garantir une solution réussie, en tenant compte
  principes et impacts potentiels sur les personnes et l'environnement naturel qui peuvent limiter les solutions possibles.
• MS-ETS1-2. Évaluer les solutions de conception concurrentes en utilisant un processus systématique pour
  déterminer dans quelle mesure ils répondent aux critères et aux contraintes du problème.
• MS-ETS1-3. Analysez les données des tests pour déterminer les similitudes et les différences entre plusieurs solutions de conception afin d'identifier les meilleures caractéristiques de chacune qui peuvent être combinées dans une nouvelle solution pour mieux répondre aux critères de réussite.
• MS-ETS1-4. Développer un modèle pour générer des données pour les tests itératifs et la modification d'un objet, d'un outil ou d'un processus proposé de sorte qu'une conception optimale puisse être obtenue.

Normes de littératie technologique - Tous les âges

• Chapitre 8 - Les attributs de la conception
  • Définitions de la conception
  • Exigences de conception
• Chapitre 9 - Conception technique
  • Processus de conception technique
  • Créativité et prise en compte de toutes les idées
  • Des modèles photo
• Chapitre 10 - Le rôle du dépannage, de la recherche et du développement, de l'invention et de l'expérimentation dans la résolution de problèmes
  • Dépannage
  • Invention et innovation
  • Expérimentation
• Chapitre 11 - Appliquer le processus de conception
  • Collecter des informations
  • Visualisez une solution
  • Tester et évaluer des solutions
  • Améliorer un design
• Chapitre 16 - Technologies de l'énergie et de l'énergie
  • L'énergie se présente sous différentes formes
  • Outils, machines, produits et systèmes

Circuits

Un circuit est une boucle à travers laquelle circule l'électricité. Un circuit commence à une source d'alimentation, telle qu'une batterie, et circule à travers des fils et des composants électriques (tels que des lumières, des moteurs, etc.). Il existe deux types de circuits: les circuits en série et les circuits en parallèle.

Circuits en série n'autorisez qu'un seul chemin pour que l'électricité puisse circuler. Dans un circuit en série avec des LED, les LED les plus éloignées de la source d'alimentation apparaîtront plus faibles, car moins d'électricité est disponible pour les alimenter. Si une LED devait griller ou être supprimée dans un circuit en série, toutes les lumières qui la suivaient s'éteindraient également, car le seul chemin menant aux lumières restantes serait déconnecté.

Circuits parallèles permettent à l'électricité de circuler à plusieurs reprises. Dans un circuit parallèle avec des LED, chaque LED reçoit de l'électricité directement le long de son propre chemin. Chaque LED peut briller, peu importe où elle se trouve, car l'électricité atteint directement chaque LED. De plus, dans un circuit parallèle, si une lumière s'éteint ou est supprimée, les autres continueront à briller.

Conductivité et isolation

Les matériaux qui conduisent l'électricité - permettant à l'électricité de circuler à travers eux - sont appelés conducteurs. Des matériaux conducteurs peuvent être utilisés pour créer des circuits. Cela peut signifier utiliser du fil métallique ou des choses plus inhabituelles comme des fruits, des pommes de terre et même de la pâte. Dans la pâte conductrice que vous utiliserez, le sel de la pâte aide à déplacer l'électricité à travers elle en se dissociant en ions Na + et Cl-.

Les matériaux qui ne permettent pas à l'électricité de les traverser sont appelés isolants. L'isolation est mesurée en résistance. Plus un matériau est isolant, plus il a de résistance. La pâte isolante avec laquelle vous travaillerez est résistive, ce qui signifie que peu d'électricité peut y circuler.

Les isolateurs agissent comme un mur à l'électricité. L'électricité est soit arrêtée par un isolant, soit doit trouver un moyen de le contourner. Étant donné que la pâte isolante ne conduit pas l'électricité, elle peut être utilisée pour séparer la pâte conductrice et pour forcer l'électricité à circuler à travers d'autres composants électriques, tels que des LED et des moteurs.

La résistance est également importante pour aider à ralentir le flux d'électricité vers un certain composant. Par exemple, la pâte conductrice permet à l'électricité de la traverser, mais offre également une certaine résistance. Cela aide à ralentir le flux d'électricité de la batterie vers les LED. Si la LED devait être connectée directement à la batterie, la LED brûlerait.

Court-circuit

L'électricité emprunte toujours le chemin de la moindre résistance. Plutôt que de passer lentement à travers un matériau résistant, l'électricité empruntera un chemin à travers quelque chose de plus conducteur, comme une LED, un moteur, un fil ou tout autre matériau plus conducteur. C'est ainsi que les matériaux isolants peuvent être utilisés pour faire changer le cours de l'électricité et se déplacer à travers les composants par lesquels vous voulez qu'elle passe.

S'il y a un chemin autour d'un composant électrique, comme une LED, qui offre moins de résistance, l'électricité contournera la LED, empruntant le chemin de moindre résistance. C'est ce qu'on appelle un court-circuit. C'est pourquoi une LED insérée dans un seul morceau de pâte conductrice ou dans deux morceaux de pâte conductrice qui se touchent ensuite, la LED ne s'allumera pas.

Polarité

Le courant électrique circule du pôle positif d'une source d'énergie vers le pôle négatif. La direction du courant dans un circuit est appelée polarité. Dans cette activité, le fil rouge de la batterie est le pôle positif et le fil noir est le pôle négatif. Certains composants électroniques ont également un côté positif et négatif et doivent être fixés dans le bon sens pour fonctionner. Les LED avec lesquelles vous travaillerez ont chacune deux fils, un court et un long. Le plomb le plus long va du côté positif et le plomb le plus court va du côté négatif. Si la LED est fixée dans le mauvais sens, elle ne s'allumera pas tant qu'elle n'aura pas été retournée. Les moteurs fonctionneront lorsqu'ils sont attachés dans les deux sens. Cependant, la direction dans laquelle l'électricité circule déterminera la direction de rotation de l'arbre du moteur.

Dans cette activité, vous construirez des créations à partir de pâte, comme vous le faisiez lorsque vous étiez plus jeune. Seules ces créations peuvent conduire l'électricité, vous permettant de créer des circuits et d'ajouter des fonctionnalités telles que des lumières, des moteurs, etc. Vous travaillerez avec deux types de pâte. Une pâte (colorée) est conductrice et permettra à l'électricité de la traverser. L'autre (blanc) est isolant et ne laisse pas passer l'électricité. Vous commencerez par explorer les deux types de pâte et comment ils fonctionnent ensemble pour créer des circuits. Ensuite, vous pouvez vous amuser à faire preuve de créativité.

Circuits d'entraînement / Apprendre à connaître votre pâte

1. Commencez par une boule de pâte conductrice. Insérez les fils de la batterie dans les côtés opposés de la pâte. Insérez une LED dans la pâte. Ce qui se produit?

   

2. Ensuite, séparez la pâte conductrice en deux morceaux. Insérez un fil de batterie dans un morceau de pâte et l'autre dans l'autre morceau de pâte. Maintenant, insérez la LED avec un plomb dans un morceau de pâte et l'autre plomb dans le deuxième morceau de pâte. Ce qui se produit?

   

3. Ensuite, retirez la LED et retournez-la, puis réinsérez-la dans les deux morceaux de pâte avec les fils dans la direction opposée à ce qu'ils étaient auparavant. Ce qui se produit? Pourquoi pensez-vous que c'est arrivé?

4. Avec la LED en position allumée, touchez les deux morceaux de pâte ensemble. Ce qui se produit? Pourquoi pensez-vous que c'est arrivé?

5. Ensuite, ajoutez un morceau de pâte isolante entre les deux morceaux de pâte conductrice et attachez-les de manière à ce qu'ils se touchent. Avec la LED à cheval sur la pâte isolante, insérée dans les deux sections de pâte conductrice, vous avez un objet solide. La LED s'allume cependant, car il n'y a pas de court-circuit. Étant donné que la pâte isolante ne permet pas à l'électricité de la traverser, l'électricité passe à travers la LED à la place, l'allumant.

   

6. Utilisez la pâte conductrice et isolante pour créer un circuit en série avec deux LED ou plus. Que remarquez-vous à propos des lumières? Pourquoi pensez-vous que c'est?

   

7. Utilisez la pâte conductrice et isolante pour créer un circuit parallèle avec trois LED. Que remarquez-vous à propos des lumières? En quoi sont-ils différents des lumières du circuit série? Pourquoi pensez-vous que c'est?

   

Faire preuve de créativité

Maintenant que vous comprenez comment utiliser les deux types de pâte pour alimenter une LED et faire fonctionner un moteur, essayez de créer quelque chose de créatif. Vous pouvez utiliser des LED, des moteurs, des buzzers, des ventilateurs ou tout autre matériel fourni par votre enseignant. Vous pouvez créer un animal aux yeux lumineux, un hélicoptère avec une hélice en rotation ou tout ce que vous pouvez imaginer. Une fois que vous avez terminé, partagez votre création avec le reste de la classe et voyez ce que vos camarades de classe ont pensé. Voici quelques créations que d'autres étudiants ont réalisées: