TP : Orage, condensateur et champ électrostatique
Qu’est-ce que la foudre ? Quel est l’effet d’un paratonnerre ? Pourquoi la foudre n’est pas un danger pour les avions ?
I. Documents :
Les nuages d’orage sont des cumulonimbus, gros nuages en forme d’enclume ou de hautes tours.
Lors des orages, le cumulonimbus est fortement chargé électriquement. Globalement, le sommet du nuage à l’altitude de 20 km est chargé positivement alors que sa base à l’altitude de 1,0 km est négative.
La partie du nuage qui se trouve en regard de la Terre étant chargée négativement, le sol se charge positivement par influence : un champ électrostatique apparait entre le bas du nuage et le sol.
Dans certaines conditions, l’air devient localement conducteur.
Il s’établit alors un fort courant électrique à travers l’air : c’est la foudre. La foudre se produit lorsque le champ électrostatique créé entre le bas du nuage et la terre dépasse la valeur maximale Ed = 3,6.106 V.m-1 appelée valeur du champ disruptif de l’air.
Un condensateur est un composant électrique, constitué de deux armatures conductrices (« plaques ») parallèles l’une à l’autre et séparées d’une
distance d par un isolant. Sa propriété principale est de pouvoir stocker des charges électriques opposées sur ses armatures.
Chacune de ses plaques se trouve alors dans un potentiel électrique différent (état électrique différent). La différence de potentiel entre les deux plaques s’appelle la tension électrique (U). Entre les plaques
s’établit un champ électrostatique dont l’intensité se calcule avec la formule suivante : d EU
Dispositif expérimental : Pour simuler un condensateur plan, on utilise une cuve rhéographique
- Les armatures en cuivre de la cuve correspondent aux armatures du condensateur.
- On établit une tension U=6V entre les deux plaques de cuivre de la cuve qui correspondent aux deux armatures du condensateur.
Pour cela, on relie une des plaques à la borne 6V du générateur : on dit que son potentiel électrique est de 6V. L’autre plaque est reliée à la borne noire (masse) du générateur : son potentiel est de 0V.
- En utilisant un voltmètre branché comme l’indique le schéma, on cherche la position des lignes de même potentielle appelées lignes équipotentielles : pour cela, on déplace le stylet et on cherche les positions qui permettent de maintenir une tension constante.
Propriétés du champ électrostatique et des lignes équipotentielles :
- Le champ électrostatique a la même intensité en chaque point d’une ligne équipotentielle.
- Le vecteur champ électrostatique est perpendiculaire aux lignes équipotentielles.
- Le vecteur champ électrostatique est toujours orienté dans le sens des potentiels décroissants.
- Des lignes équipotentielles parallèles les unes aux autres caractérisent un champ uniforme.
- Des lignes équipotentielles qui se resserrent caractérisent l’intensification du champ électrostatique.
II. Expériences :
1. Réaliser l’expérience et les mesures qui permettent de déterminer les lignes équipotentielles correspondant aux valeurs V=1, 2, 3, 4 et 5V. Les représenter sur le schéma ci-dessous. En déduire les lignes de champ électrostatique. Représenter le champ électrostatique dans la zone où il est constant.
2. Placer une tige de cuivre d’environ 4cm en contact avec la plaque au potentiel VB=0 comme indiqué sur la figure ci-dessous de déterminer la position des surfaces équipotentielles correspondant aux valeurs V=1, 3 et 5V.
Que peut-on conclure quant au champ électrostatique autour de la tige.
3. Placer un anneau conducteur en cuivre en contact avec la tige. Mesurer le potentiel des points à l’intérieur de l’anneau.
Que remarque-t-on ? Que peut-on dire du champ électrostatique à l’intérieur de l’anneau ?
III. Interprétations :
En utilisant les informations des documents et les interprétations des expériences, répondre aux questions suivantes :
1. Expliquer le comportement d’un cumulonimbus lors d’un orage.
Calculer la tension électrostatique entre la base du nuage et le sol au moment de l’éclair.
2. Expliquer l’effet du paratonnerre.
3. Dans l’expérience 3, l’anneau constitue une cage de Faraday : expliquer le principe de fonctionnement d’une cage de Faraday.
En déduire pourquoi la foudre n’est pas dangereuse pour les avions ou les passagers d’une voiture
4. Une autre application : l’écran tactile capacitif (smartphones et tablettes)
A partir du schéma ci-dessus, décrire en quelques phrases le principe d’un écran tactile capacitif. Vous préciserez en particulier le rôle :
- des 2 couches transparentes conductrices séparées par des points non conducteurs - de l’effet du doigt
- du contrôleur
5. Exercice livre P 265 n°29
