COMP1 TP12 De l électricité dans l air! 1S TP non évalué Eléments de correction Matériel Un pendule électrostatique, pailles, chiffon en laine, chiffon en coton, morceau de fourrure, tige en ébonite, tige en verre, papier à découper, plateau recouvert d une feuille de papier aluminium Document 1 La charge électrique est une notion abstraite, comparable à celle de masse, qui permet d'expliquer certains comportements. Contrairement à la masse, la charge électrique peut prendre deux formes, que l'expérience amène à considérer comme «opposées» ; on les qualifie arbitrairement de positive et négative. Deux charges de même nature, deux charges positives par exemple, se repoussent, alors que deux charges de nature opposée s'attirent. On appelle ce phénomène interaction électromagnétique. Document 2 Le phénomène d'électrisation Quand on frotte l un contre l autre deux corps différents, l un arrache des électrons à l autre. Il apparaît sur ces deux objets des charges électriques nécessairement opposées. Celui qui a gagné des électrons est chargé négativement, l autre est chargé positivement. Si les objets sont isolants, les charges électriques, incapables de se déplacer restent localisées sur chaque objet. 1
PARTIE A PHENOMENE D ELECTRISATION Expérience 1 Sur deux rails isolants (deux pailles) placer une paille A préalablement frottée avec un tissu en coton. Frotter avec le même tissu une seconde paille et placer cette seconde paille B sur les rails. En la poussant avec l ongle, chercher à la rapprocher de la paille A et observer. 1- Noter vos observations. Les pailles A et B se repoussent mutuellement sans qu il y ait de contact entre elles. 2- Comment qualifie-t-on les actions de B sur A puis de A sur B? Il s agit d une interaction à distance répulsive. Expérience 2 Replacer la paille A sur les rails après l avoir rechargée par frottement avec le tissu précédent et refaire l expérience en remplaçant la paille B par une tige de verre frottée avec un tissu en laine. 3- Noter vos observations. La paille et la tige de verre s attirent mutuellement sans qu il y ait de contact entre elles. VALIDER 4- Comment qualifie-t-on les actions de B sur A puis de A sur B? Il s agit d une interaction à distance attractive. 5- Al aide des documents 1 et 2, interpréter vos résultats. La charge électrique portée par la tige de verre diffère nécessairement de celle portée par la paille. Expérience 3 Un pendule électrostatique est constitué d une petite boule légère recouverte de papier aluminium, suspendue par un fil très fin à un support horizontal. Frotter la tige en ébonite avec la fourure. Approcher cette tige de la boule du pendule. 6- Y a-t-il attraction ou répulsion entre la tige et la boule? Il y a attraction entre la tige et la boule. 7- Peut-on parler d une action mécanique à distance ou de contact? C est une action mécanique à distance car aucun contact entre la tige et la boule. 8- Cette action est-elle plus ou moins intense si la distance entre la boule et la sphère diminue? L action mécanique est d autant plus intense que la distance entre la tige et la boule diminue. 2
Expérience 4 Remplacer dans l expérience 3, la fourrure par le chiffon en laine et refaire la manipulation. 9- Les résultats expérimentaux sont-ils les mêmes? Les résultats expérimentaux sont sensiblement les mêmes. Expérience 5 Remplacer dans l expérience 3, la tige en ébonite par la tige en verre. Refaire la manipulation. 10- Les résultats expérimentaux sont-ils les mêmes? Les résultats expérimentaux sont moins probants avec la tige en verre ou du moins il faut frotter plus longtemps la baguette en verre pour obtenir le même effet que celui obtenu avec la baguette en ébonite. COMMUNIQUER 11- Avec le matériel à disposition, proposer une autre expérience pour attirer ou repousser des bouts de papier et mettant aini en évidence les phénomènes d électrisation. Vous ferez un schéma. On peut, par exemple, imaginer découper des petits bouts de papier et les disposer sur la table. Frotter ensuite la baguette en verre avec la fourrure. Approcher la baguette en verre des bouts de papier et constater l existence d une action mécanique attractive. PARTIE B LA MACHINE DE WIMSHURT Document 3 La machine de Wimshurt a été créée en 1882 par le britannique du même nom James Wimshurt. Cette machine fut historiquement utilisée pour illustrer de nombreux phénomènes d'électricité statique ou la production d'ozone (à l'odeur caractéristique) dans un arc électrique. La machine de Wimshurst a une apparence caractéristique. Elle est équipée de deux larges disques constitués de matériaux isolants et recouverts de secteurs métalliques. Les deux disques tournent en sens opposé l'un par rapport à l'autre dans un plan vertical, les connexions se font à l'aide d'un dispositif de balais à friction permettant ainsi de récupérer la charge et d'emmagasiner l'énergie dans les bouteilles de charges (principe du condensateur). Au voisinage de pointes métalliques adéquatement connectées, et reliées à deux sphères convenablement disposées à une distance pouvant provoquer un étincelage, ce dispositif se nomme : éclateurs. 3
Document 4 La machine, son créateur Document 5 Composition de la machine Expérience 6 Ecarter les éclateurs de 2 à 3 cm, l un de l autre. Tourner la manivelle dans le sens horaire. 12- Noter vos observations. On observe un arc électrique entre les deux éclateurs. 13- Qu est-ce qui est à l origine du phénomène d électrisation? Ce sont les frottements entre les balais en cuivre et les languettes en aluminium qui sont à 4
l origine du phénomène d électrisation. Par frottement, cela arrache des électrons libres qui vont se mouvoir dans le circuit et ainsi générer un courant électrique. 14- Tenter d expliquer le phénomène électrique survenu avec vos propres connaissances. Le frottement des balais arrache des électrons lorsque les disques sont en mouvement. Les électrons libres sont canalisés et récupérés par les bouteilles de Leyde ( des gros condensateurs ). Cette énergie stockée est distribuée au niveau des tiges métalliques qui, chargées l une positivement et l autre négativement, vont avoir tendance à s échanger des électrons. C est ce qu on appelle une différence de potentiel ( charges + contre charges - ). Cette différence de potentiel génère alors un arc électrique avec déplacement d électrons libres. --------------- Pour les plus rapides --------------- MANIPULATION PROF Nous allons tenter de réaliser cette expérience : COMmuniquer Question 15 : Comment interpréter les différences de comportement en terme d électricité concernant l expérience précédente? ( décrire ce qui se passe dans l ensemble de la chaîne : de la machine au pendule). 5