Electricité Electrostatique. Electricity Electrostatics. Kit électrostatique Electrostatic kit. Ref : Français p 1.

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1 Electricité Electrostatique Electricity Electrostatics Français p 1 English p 13 Kit électrostatique Electrostatic kit Version : 9003

2 Electricité Kit électrostatique 1 Composition du kit (produit breveté) Un générateur piézoélectrique Un support multifonction Une lampe luciole, une lampe à gaz néon, une diode haute luminosité transparente Trois tiges dont deux en plastique (rouge, vert fluo), et une métallique ( = 6 mm, L 150 mm) Deux tubes translucides en plastique, ( = 12 mm, L 75 mm) Une plaquette plastique transparente (L = 9,2 cm, L 136 mm) Une tige d'acier et une potence ( = 1 mm, L 150 mm) Un morceau de pâte à modeler Un mètre d'aluminium autocollant et quatre bornes (2 rouges, 2 vertes) Deux plaques profilées, percées Quatre adaptateurs (2 rouges, 2 verts) pour cordons de sécurité. 2 Expériences 2.1 Fabrication d'un détecteur de charges Faire construire un pendule électrique par les élèves. Prendre un fil de coton d'environ 30 cm de long ou mieux un fil de nylon (8/100ème) et fixer un petit bout d'aluminium adhésif à une de ses extrémités. 2.2 Exploration de la répartition des charges Cas d'un isolant chargé Par frottement avec de la laine ou un tissu équivalent, la tige vert-fluo s'électrise positivement, la rouge négativement (suivant le tissu, la charge développée peut être inversée sur une même tige). Ne frotter qu'une extrémité, poser la tige sur le tube translucide grâce à un petit bout de pâte à modeler. Déplacer le pendule autour de la tige ; on observe la dissymétrie dans la répartition de charge. FRANCAIS 1

3 Electricité Kit électrostatique tige isolante pâte tube Zone chargée Cas d'un tube plastique Cas d'un tube conducteur Cas d'un conducteur chargé. Charger par contact à une extrémité, la tige métallique avec un isolant chargé. Le pendule révèle la dissémination des charges sur le conducteur et la symétrie. On peut utiliser une des bornes du générateur piézo pour charger par contact le conducteur. FRANCAIS 2

4 Electricité Kit électrostatique 2.3 Interactions entre tiges colorées et entre tiges et objet à tester. T2 T1 Le dispositif précédent est rendu mobile en rotation en le posant sur la tige d'acier. Celle-ci est introduite dans l'un des ressorts du support multifonction. Electriser une extrémité de chaque tige. Approcher T2, il y a attraction. En tenant T2 à la main, verticalement et en la faisant tourner autour de l'axe, on entraîne T1 en rotation. Sans changer T1, on pourra approcher des objets plastiques électrisés par frottement et déterminer la nature des charges (stylo à bille, règle...). Si on approche son doigt de l'extrémité électrisée, il y a toujours attraction (charge par induction). 2.4 Pendule électrique et tiges colorées. La potence est introduite dans un des ressorts du support multifonction. La longueur du pendule est ajustée grâce à de la pâte à modeler. Approcher une tige colorée électrisée, on observe l'attraction du pendule puis sa répulsion. FRANCAIS 3

5 Electricité Kit électrostatique 2.5 Générateur piezoélectrique Eviter d'utiliser le générateur piezoélectrique en circuit ouvert, cette opération risque de déteriorer les céramiques piezoélectriques. En circuit ouvert ce générateur délivre une tension variable d'environ 15 KV, il peut être mis en court circuit sans risque d'endommagement. Détermination des signes des bornes R G R V V avec la diode luminescente Relier le générateur au support multifonction (R, R, V, V) et la diode montée comme sur le schéma. Chaque patte dans un ressort. Si, on enfonce le bouton, la diode s'allume, la borne rouge est alors positive. Si, au contraire en relâchant le bouton la diode s'allume. La borne rouge est alors négative et la verte positive. avec la lampe à gaz néon Dans une lampe à néon, l'émission lumineuse se fait à la borne négative. Après avoir mis chaque patte de la lampe dans un ressort, on effectue un cycle, les électrodes s'illuminent tour à tour. FRANCAIS 4

6 Electricité Kit électrostatique On en conclut que ce générateur est un générateur alternatif. Etincelles Entre les ressorts Relier directement le générateur au support multifonction. En appuyant, on obtient un train d'étincelles dans un sens. En relâchant le bouton une deuxième série d'étincelles est obtenue. Elles se produisent préférentiellement au sommet (effet de pointe), ou à la base (distance plus courte). Plaquette transparente sur la foudre Ce dispositif sollicite la créativité et la réflexion de l'élève. Lors du premier montage, on fera découper par les élèves deux bandes d'aluminium au profil indiqué ci-après. Elles seront collées une fois pour toutes du côté des quatre pieds. Par contre les douilles, qui serviront à crever l'aluminium aux endroits prévus, seront suivant les besoins montées d'un côté ou de l'autre. L'aluminium est repoussé dans les trous où le contact électrique est assuré avec la partie métallique de la douille. Profil de la bande d'aluminium 6 cm 1cm 2 cm 9 cm Exploitation a) sur un côté, on réalise un premier scénario avec par exemple un nuage, un arbre, un personnage. La condition d'étincelage est donnée : la somme des distances entre les objets métallisés ne doit pas dépasser environ 1 cm. b) on rajoute des chemins parallèles, les objets peuvent présenter des effets de pointe. c) on reproduit la scène en posant un carré de papier de 9 x 9 cm sur la plaquette que l'on tourne vers la lumière. Les contours apparaissent, on les dessine à l'échelle 1. Les étincelles sont représentées par des segments entre les différents éléments. On fait effectuer la somme de ces segments qui doit satisfaire à la condition d'étincelage. d) Si on dispose de 2 à 3 chemins parallèles possibles, il y en a un privilégié. On peut faire varier les conditions en posant sur la scène une épingle et en observant les modifications. FRANCAIS 5

7 Electricité Kit électrostatique 2.6 Tourniquet, Générateur, support multifonction. Chaque élève peut construire son tourniquet. Découper dans l'aluminium autocollant une bande aux dimensions approximatives (1 cm x 8 cm). Aux extrémités, coller deux pointes en aluminium de 1,5 cm x 0,5 cm. Percer au centre, pour introduire le rivet. Le rivet est posé au sommet de la tige T d'acier qui a été mise dans un des ressorts du support multifonction. Un fil est connecté au tourniquet. L'autre est approché du support pour une meilleure efficacité. Par action régulière et lente sur le bouton du générateur, le tourniquet est mis en rotation (2 à 3 tours/s). Si on gauchit le tourniquet pour lui donner une forme d'hélice, la rotation est ralentie. 4 cm 8 cm FRANCAIS 6

8 Electricité Kit électrostatique Remarque : une expérience particulièrement spectaculaire consiste à mettre assez près < 1 cm deux tourniquets inversés. On obtient des étincelles en plus des rotations inversées. 2.7 Générateur, support multifonction, lampes. une analyse des circuits séries et parallèles alimentés par le générateur et utilisant des lampes à gaz, à incandescence, des diodes peut être menée. Un support multifonction sera vu comme un interrupteur ouvert, qui se ferme automatiquement lorsqu'il y a une étincelle. La loi d'ohm généralisée permet de donner une description des phénomènes. FRANCAIS 7

9 Electricité Kit électrostatique Il est intéressant de faire remarquer qu'en appuyant régulièrement, on fournit toujours la même énergie mécanique. Dans le circuit, par contre, l'énergie électrique peut être distribuée dans des intervalles de temps différents. On dispose de différentes puissances. En particulier, une lampe à incandescence montée seule sur le générateur ne peut être allumée. Montée en série avec un support multifonction le filament peut être porté à incandescence. 2.8 Générateur, support multifonction, fusée Tube translucide G Un tube d'environ 5 ml en plastique incassable est rempli d'un mélange stœchiométrique d'hydrogène et d'oxygène (voir cuve à électrolyse). Posé sur un support multifonction, le mélange réagit lors d'une étincelle. ATTENTION : Le tube est projeté entre 1 m et 2 m. 2.9 Générateur, pendule électrique, plaques profilées Les plaques profilées se solidarisent sur le support multifonction par l'intermédiaire des fiches de connexions des fils. Le pendule électrique est introduit dans un des ressorts. Un tube en plastique est enfilé sur le deuxième pour éviter l'étincelage entre ressorts. FRANCAIS 8

10 Electricité Kit électrostatique L'action sur le bouton du générateur provoque son oscillation entre les plaques. On peut étudier l'influence des dimensions de la boule d'aluminium sur le nombre d'oscillations. On a intérêt à avoir un pendule assez gros et lourd (décharge assez courte). Un pendule trop léger sortira des plaques. Remarque : On peut monter en série le pendule et la lampe au néon si le pendule est suffisamment gros, on observera les étincelles sur les électrodes de la lampe qui correspondent au contact du pendule sur les plaques. 3 Mini-cuve à electrolyse fusée Les expériences qui suivent nécessitent l'utilisation du : Minivoltamètre - Mini-fusée 3.1 Expériences Electrolyse de l'eau Remplir la cuve avec environ 10 ml d'eau soit 2 fois le tube transparent FRANCAIS 9

11 Electricité Kit électrostatique Alimenter le mini voltamètre en 6 V ou 12 V ou à l'aide d'une pile plate 4,5 V. Rajouter 1 ml d'une solution acide sulfurique. L'acide ne laisse pas de dépôt contrairement aux solutions de soude. Remplir les tubes dans le bac et le sortir bien verticalement, dans ce cas l'eau reste dans le tube du fait de la pression atmosphérique. Si on l'incline, il se vide. Coiffer les électrodes avec les tubes. On recueille séparément le dihydrogène et le dioxygène. Fusée, Mélange stœchiométrique. Tube translucide G Procéder comme précédemment, mais on utilise le tube translucide, coiffant les deux électrodes. Une fois le remplissage effectué, sortir le tube verticalement, éliminer éventuellement l'eau restant à l'orifice du tube avec un papier absorbant. Poser le tube sur le support multifonction relié au générateur piézoélectrique. L'étincelle provoque le déclenchement de la réaction chimique. Si on répète plusieurs fois de suite l'expérience, l'humidité, qui se dépose sur les ressorts et le support, ne permet plus l'étincelage. Essuyer avec un papier absorbant. Avantages Cette mini cuve permet : un gain de temps : la solution est relativement concentrée et les volumes recueillis (~5 ml) sont suffisants pour l'expérimentation. un gain de produit environ 1 ml de solution d'acide sulfurique. l'électrolyse classique. la réalisation d'une mini fusée à l'aide du support multifonction et de l'étinceleur. FRANCAIS 10

12 Electricité Kit électrostatique 4 Service après vente La garantie est de 2 ans, le matériel doit être retourné dans nos ateliers. Pour toutes réparations, réglages ou pièces détachées, veuillez contacter : JEULIN - SUPPORT TECHNIQUE Rue Jacques Monod BP EVREUX CEDEX FRANCE * * 0,15 TTC/ min à partir d'un poste fixe FRANCAIS 11

13 Electricité Kit électrostatique NOTES FRANCAIS 12

14 Electricity Electrostatic kit 1 The kit consists of (patented product) A piezoelectric generator A multi-function support A luciole light, a neon gas light, a transparent high luminosity diode Three rods including two plastic (red, fluo green), and one metal ( = 6 mm, L 150 mm) Two translucent plastic tubes, ( = 12 mm, L 75 mm) One transparent plastic insert (L = 9,2 cm, L 136 mm) One steel rod and one stand ( = 1 mm, L 150 mm) A piece of plasticine A metre of self adhesive aluminium and four terminals (2 Red, 2 Green) Two profiled, drilled plates 2 Experiments 2.1 Making a charge detector The students construct an electric pendulum. Take a length of about 30 cm of cotton thread, or, better still, nylon (8/100ths) and fix a small tip of adhesive aluminium to one of its ends. 2.2 Exploring the distribution of charges The case of an insulating charge By rubbing with wool or a similar fabric, the green fluo rod becomes electrically charged positively, the red negatively (according to the fabric, the charge developed can be the opposite in the same rod). Only rub one end, put the rod on the translucent tube, using a small blob of plasticine. Move the pendulum around the rod; you will see the asymmetry in the distribution of the charge. ENGLISH 13

15 Electricity Electrostatic kit insulating plasti tube Charged zone Case of a plastic tube Case of a conducting tube Case of a charged conductor. By contact at an extremity, charge the metal rod with a charged insulator. The pendulum reveals the distribution of the charges on the conductor and the symmetry. You can use one of the terminals of the piezo generator to charge the conductor by contact. ENGLISH 14

16 Electricity Electrostatic kit 2.3 Interactions between coloured rods and between rods and the object to test. T2 T1 The previous device is made to rotate by putting it on the steel rod. This is put into one of the multi-function support springs. Electrify an extremity of each rod. Approach T2, there is an attraction. Hold T2 in your hand, vertically and make it turn around the axis, you start T1 rotating. Without changing T1, you can approach plastic objects electrified by rubbing and determine the nature of the charges (ball point pen, ruler, etc.). If you approach your finger with the electrified end, there is still an attraction (charge by induction). 2.4 Electric pendulum and coloured rods. The stand is put into one of the multi-function support springs. The length of the pendulum is adjusted using the plasticine. Approach one electrified coloured rod, observe the attraction of the pendulum then its repulsion. ENGLISH 15

17 Electricity Electrostatic kit 2.5 Piezoelectric generator Avoid using the piezoelectric generator in open circuit, this operation risks damaging the piezoelectric ceramics. In open circuit the generator supplies a variable voltage of about 15 KV, it can be short circuited without risk of damage. Determining the signs of the terminals R G R V V with the luminous diode Connect the generator to the multi-function support (R, R, V, V) and the diode fitted as in the diagram. Each pin in a spring. If you hold the button down, the diode lights, the red terminal is then positive. If, on the contrary, on releasing the button the diode lights, the red terminal is then negative and the green positive. with the neon gas light In a neon lamp, light is emitted at the negative terminal. After putting each of the lamp s pins in a spring, you make a cycle, the electrodes light up by turns. ENGLISH 16

18 Electricity Electrostatic kit From this you conclude that the generator is an alternating generator. Sparks Between the springs Connect the generator directly to the multi-function support. By pressing, you obtain a stream of sparks in one direction. On releasing the button, a second series of sparks is obtained. They tend to be produced at the top (point effect), or at the base (shortest distance). Transparent insert on lightening This device calls for creativity and reflection by the student. On first assembly, get the students to cut out two strips of aluminium in the profile shown below. They are stuck one each side of the four feet. The sleeves, on the other hand, which are used to puncture the aluminium at the places planned, are put on one side or the other, as need be. The aluminium is pushed into the holes where electrical contact is made with the metal part of the sleeve. Profile of the aluminium strip 6 cm 1cm 2 cm 9 cm Operation a) On one side, make a first scene with, for example, a cloud, a tree, a person. The condition for sparks is given: the sum of the distances between the metal objects should not exceed about 1 cm. b) Add parallel paths, the objects can have advanced effects. c) Copy the scene, putting a 9 x 9 cm paper square on the insert that you turn towards the light. The contours appear, draw it to scale 1. Sparks are represented by segments between the different elements. You make the sum of these segments which should satisfy conditions for sparking. d) If you have 2 to 3 possible parallel paths, it is an advantage. You can vary the conditions by putting a pin on the scene and observing the alterations. ENGLISH 17

19 Electricity Electrostatic kit 2.6 Turbine, Generator, multi-function support. Students can each construct their own turbine. From the self adhesive aluminium cut out a strip to approximate size (1 cm x 8 cm). At the extremities, stick two points in aluminium of 1.5 cm x 0.5 cm. Pierce at the centre, to introduce the rivet. The rivet is put at the top of the steel stem T which has been put in one of the springs of the multi-function support. One wire is connected to the turbine. The other is put near the support for better effectiveness. By regular, slow action on the generator button, the turbine is made to rotate (2 to 3 revs/sec). If the turbine is distorted to make it spiral in shape, the rotation is slowed. 4 cm 8 cm ENGLISH 18

20 Electricity Electrostatic kit Comment: a particularly spectacular experiment consists of putting two inverse turbines fairly close < 1 cm. You get sparks in addition to reversed rotations. 2.7 Generator, multi-function support, lamps. An analysis of series and parallel circuits fed by the generator and using gas tubes, incandescent bulbs and diodes can be undertaken. A multi-function support will be seen as an open switch, which closes automatically when there is a spark. Ohm s general law enables these phenomena to be described. ENGLISH 19

21 Electricity Electrostatic kit It is interesting to see that by pressing regularly, you always supply the same mechanical energy. In the circuit, on the other hand, electrical energy can be distributed at differing intervals of time. You have varying power available. Particularly, an incandescent bulb fitted alone on the generator cannot be lighted. Fitted in series with a multi-function support the filament can be made to glow. 2.8 Generator, multi-function support, rocket Tube Translucent translucide tube G A tube of about 5 ml in unbreakable plastic is filled with a stoechiometric mixture of hydrogen and oxygen (see electrolysis tank). Put it on a multifunction support, the mixture reacts to a spark. WARNING: The tube is thrown between 1 m and 2 m. 2.9 Generator, electric pendulum, profiled plates. The profiled plates fix onto the multi-function support by means of the wire connection jacks. ENGLISH 20

22 Electricity Electrostatic kit The electric pendulum is put into one of the springs. A plastic tube is placed on the second to avoid sparking between springs. Operating the generator button causes it to oscillate between the plates. You can study the influence of the dimensions of the aluminium ball on the number of oscillations. It is an advantage to have a pendulum large and heavy enough (fairly short discharge). Too light a pendulum will leave the plates. Comment: You can fit the pendulum and the neon tube in series if the pendulum is sufficiently big, you will see the sparks on the tube s electrodes which corresponds to contact of the pendulum on the plates. 3 Electrolysis mini tank - Rocket The following experiments require the use of: Mini voltameter - Mini-rocket Experiments Tank Water ENGLISH 21

23 Electricity Electrostatic kit Electrolysis of water Fill the tank with about 10 ml of water, which is twice the transparent tube Supply the mini voltammeter with 6 V or 12 V or use a flat type 4.5 V battery. Add 1 ml of sulphuric acid solution. Acid leaves no deposit, unlike sodium solutions. Fill the tubes in the container and remove them vertically, in this case the water remains in the tube through atmospheric pressure. If you tilt them, they will empty. Cover the electrodes with the tubes. The hydrogen and the oxygen are collected separately. Rocket, Stoechiometric mixture. Tube Translucent translucide tube G Proceed as previously, but use the translucent tube, covering the two electrodes. Once filling is complete, remove the tube vertically, eliminate any water which may remain at the tube opening with absorbent paper. Put the tube on the multi-function support connected to the piezoelectric generator. The spark triggers the chemical reaction. If the experiment is repeated several times in succession, moisture, which is deposited on the springs and support, no longer allows sparking. Wipe with absorbent paper. Advantages The mini tank enables: A saving in time: the solution is relatively concentrated and the volumes collected (~5 ml) are enough for experiments. A saving in product of about 1 ml of sulphuric acid solution. Classic electrolysis. The production of a mini rocket by means of the multi-function support and spark generator. ENGLISH 22

24 Electricity Electrostatic kit 4 After-Sales Service This material is under a two year warranty and should be returned to our stores in the event of any defects. For any repairs, adjustments or spare parts, please contact: JEULIN - TECHNICAL SUPPORT Rue Jacques Monod BP EVREUX CEDEX FRANCE +33 (0) ENGLISH 23

25 Electricity Electrostatic kit NOTES ENGLISH 24

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