Exp´eriences de cours concernant l’´electrostatique Effet r´epulsif entre particules de mˆemes charges

Exp´ eriences de cours concernant l’´ electrostatique

Effet r´ epulsif entre particules de mˆ emes charges

Une volontaire aux cheveux longs est charg´ee positivement par une source `a haute tension. Comme son corps est conducteur, l’exc`es de charges positives se dispose `a la surface de celui-ci, en particulier dans les cheveux. Les charges positives contenues dans les cheveux se repoussent et par cons´equent, les cheveux se dressent afin d’augmenter la distance entre les charges.

Attraction des dipˆ oles dans des champs ´ electriques inhomog` enes

1. Un cylindre est muni en son sommet d’une ´electrode positive en forme de pointe, et d’une ´electrode plane n´egative `a sa base (Fig. 1 et 2). Cette g´eom´etrie des ´electrodes cr´ee un champ ´electrique tr`es inhomog`ene (Le champ augmente lorsque l’on se rapproche de la pointe.). Lorsque l’on applique une diff´erence de potentiel d’environ 10 kV entre les ´electrodes, on observe les billes de Sagex contenues dans le cylindre s’agiter dans tout le volume. Les billes forment des dipˆoles qui sont attir´es vers la pointe. Apr`es avoir touch´e la pointe, les billes se chargent positivement et retombent vers l’´electrode n´egative o`u elle se d´echargent.

2. Au lieu de mettre des billes en Sagex dans le cylindre, on peut y injecter de la fum´ee. De mani`ere similaire, les particules de fum´ee forment des dipˆoles qui sont attir´es par la pointe. Apr`es avoir touch´e la pointe, les particules de fum´ee se chargent positivement et sont violemment repouss´ees contre les parois, en suivant les lignes de champ.

3. On frotte un bˆaton d’´ebonite avec une peau de chat, ce qui le charge n´egativement. En approchant le bˆaton d’une canette en aluminium, on observe que celle-ci est attir´ee par le bˆaton d’´ebonite (Fig.

3). Le bˆaton a pour effet de transformer la canette en un dipˆole (Une partie des ´electrons libres de la canette sont repouss´es sur la face oppos´ee au bˆaton).

Fig.1 – Fig.2 – Fig.3 –

Moments de forces sur des dipˆ oles plac´ es dans un champ ´ electrique

On cr´ee un fort champ ´electrique entre deux plaques parall`eles distantes d’environ 40 cm entre lesquelles on applique une diff´erence de potentielle de 50 kV.

1. Une baguette comportant deux morceaux, un en ´ebonite et un en verre, est frott´ee avec une peau de chat. La partie en verre se charge positivement et celle en ´ebonite se charge n´egativement. La baguette est alors plac´ee sur un pivot, entre les deux ´electrodes. On observe qu’il n’y a qu’un seul point d’´equilibre stable : lorsque la partie en verre (positive) pointe vers l’´electrode n´egative.

2. Lorsque l’on place une baguette en verre sur le pivot, on observe qu’elle s’alignent parall`element au champ ´electrique cr´e´e par les plaques (E est perpendiculaire aux plaques). Lorsqu’elle est per- pendiculaire au champ ´electrique, elle se trouve dans un ´etat d’´equilibre instable (Fig. 4). Lorsque la baguette s’´ecarte de sa position d’´equilibre instable, le moment r´esultant n’est plus ´egale `a z´ero

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et celui-ci fait pivoter la baguette (Fig. 5). Lorsque la baguette se retrouve parall`ele au champ

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electrique, le moment r´esultant est nul. Elle est dans un ´etat d’´equilibre stable (Fig. 6).

E

Fig.4 – Position d’´equilibre in- stable.

E

Fig.5 – Rotation de la bagette (moment r´esultant non nul)

E

Fig. 6 – Position d’´equilibre stable.

Lignes de champ ´ electrique

Un bocal contient des grains de semoule m´elang´es dans de l’huile de ricin. Deux ´electrodes sont plong´ees dans l’huile et on applique une diff´erence de potentiel de 20 kV. On observe alors que les grains de semoule se mettent en ligne. En effet, les grains de semoule, di´electique (isolant), forment de petits dipˆoles qui s’orientent le long des lignes de champ et se lient les uns aux autres `a la chaˆıne.

Fig.7 – Lignes de champ ´electrique mises en ´evidence par des grains de semoule.

Force agissant sur un plateau de condensateur

Un condensateur plan est constitu´e de deux disques m´etaliques de 0.1 m de rayon espac´es de 1.5 cm.

L’armature inf´erieure repose sur une balance. On tare la balance puis on applique une diff´erence de potentiel de 16 kV entre les plaques. L’une des plaques se charge positivement tandis que l’autre se charge n´egativement. On peut lire sur la balance un poids n´egatif de 26 g, soit 0.25 N, correspondant `a la force d’attraction ´electrique entre les plaques.

Cette forceF(e) qui est fonction de l’´epaisseur du condensateure, est reli´ee au travail dW `a fournir pour ´ecarter les plaques d’une distance de.

F(e) =dW de or,

W(e) = 1

2·C(e)·∆U²

o`uC est la capacit´e du condensteur. Celle-ci est fonction de l’´epaisseur du condensateur e: 2

C(e) =₀·_r·A e Ainsi,

F(e) = 1

2·∆U²·dC de

F(e) = 1

2·∆U²·0·r·A e²

L’application num´erique donne une force de 0.16 N du mˆeme ordre de grandeur que celle mesur´ee (0.25 N). Lorsque l’on insert une plaque de plexiglas, l’attraction des deux armatures est plus forte. La balance affiche un poids n´egatif de 90 g, soit 0.88 N. La constante di´electrique (r) de l’air vaut environ 1 tandis que celle du plexiglas vaut environ 3. Avec le plexiglas, la force d’attraction doit ˆetre environ trois fois sup´erieure, ce qui correspond bien `a ce que nous mesurons.

Energie d’un condensateur

1. On utilise un cricuit en s´erie compos´e d’un condensateur charg´e `a 2 kV, d’un fil de cuivre de faible diam`etre, et d’un interupteur. Lorsque l’on ferme l’interupteur, un tr`es fort courant traverse le fil, ce qui provoque un ´echauffement par effet Joule. Le fil atteint une temp´erature telle qu’il se sublime instantan´ement.

2. On utilise un circuit en s´erie compos´e d’un condensateur charg´e `a 2 kV, d’une bobine, et d’un interupteur. Un anneau conducteur de mˆeme diam`etre que celui de la bobine est plac´e `a cˆot´e de la bobine, dans le mˆeme axe. Lorsque l’on ferme l’interupteur, l’anneau est ´eject´e violemment.

La variation de flux du champ magn´etique passant `a travers l’anneau cr´ee un courant induit dans l’anneau. Les lignes de champ qui traversent la mati`ere de l’anneau sont telles que ce courant induit g´en`ere des forces de Laplace. La r´esultante de ces forces produit l’´ejection de l’anneau.

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