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.
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.
Rappels :
- Le vecteur champ électrostatique est perpendiculaire aux lignes équipotentielles.
- Le vecteur champ électrostatique est toujours orienté dans le sens des potentiels décroissants.
- L’intensité du champ électrique qui s’établit entre 2 lignes équipotentielles parallèles séparées d’une distance d se calcule de façon suivante :
d
EU où U est la différence de potentielle positive entre les 2 lignes.
II. Travail à réaliser :
1. Champ électrique et nuage d’orage :
a. 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 un schéma (à l’échelle).
b. Pourquoi peut-on affirmer que le champ est uniforme entre les deux plaques ?
c. Calculer une valeur approchée du champ électrique entre ces deux plaques ?
d. Représenter le champ électrostatique dans la zone où il est constant.
e. Reproduire schématiquement la basse d’un cumulonimbus au-dessus du sol et indiquer le sens du champ électrique qui apparait entre la base du nuage et l’orage.
f. Quelle est la valeur de la tension qui existe entre le la base du nuage et le sol au moment où la foudre se produit.
2. Effet d’un paratonnerre :
a. 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.
b. Que peut-on conclure quant au champ électrostatique autour de la tige. Justifier.
Calculer la valeur du champ juste au sommet de la tige.
c. Expliquer l’effet du paratonnerre.
3. Cage de Faraday :
a. Placer un anneau conducteur en cuivre en contact avec la tige.
Mesurer le potentiel des points à l’intérieur de l’anneau.
Que peut-on dire du champ électrostatique à l’intérieur de l’anneau ?
b. L’anneau constitue une cage de Faraday : expliquer pourquoi la foudre ne peut se produire à l’intérieur d’une cage de Faraday.
c. Pourquoi la foudre n’est pas dangereuse pour les avions.
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
