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 ?
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 ?
Champ constant car les lignes équipotentielles sont des portions de droites parallèles équidistantes.
Lorsque les lignes s’éloignent, le champ décroit. Lorsqu’elles se resserrent, le champ augmente.
c. Calculer une valeur approchée du champ électrique entre ces deux plaques ?
Valeur du champ entre les plaques : 𝐸 = 𝑈
𝑑
Comme le champ est constant, on peut choisir la différence de potentielle entre n’importe quelles lignes équipotentielles avec d la distance entre les 2 lignes choisies.
𝐸 = 6
0,24= 25 𝑉. 𝑚−1
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.
Champ constant entre les plaques
1V 2V 3V 4V
5V
𝐸ሬԦ
𝐸ሬԦ
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.
𝑈 = 𝐸 . 𝑑 A.N. 𝑈 = 3,6 × 109 𝑉
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.
Les lignes de champ se resserrent au-dessus du paratonnerre. Le champ est donc plus intense à cet endroit. C’est donc là qu’il atteindra en premier sa valeur disruptive.
c. Calculer la valeur du champ juste au sommet de la tige.
𝐸′ =𝑈′
𝑑′ A.N. 𝐸′ = 2
0,02= 100 𝑉. 𝑚−1
Le champ est bien plus intense au dessus du partonnerre.
d. Expliquer l’effet du paratonnerre.
La foudre se déclenche préférentiellement sur le paratonnerre qui guidera la décharge électrique vers la terre.
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 ?
Le potentiel est le même à l’intérieur de l’anneau.
Le champ électrique est donc nulle.
b. L’anneau constitue une cage de Faraday : expliquer pourquoi la foudre ne peut se produire à l’intérieur d’une cage de Faraday.
Le champ étant nulle à l’intérieur d’une cage de Faraday, aucune décharge ne peut se produire à
l’intérieur d’une cage de Faraday.
c. Pourquoi la foudre n’est pas dangereuse pour les avions.
La carlingue des avions est constituée d’un matériau conducteur ; elle constitue une cage de Faraday.
Dans un orage, lorsqu’un éclair frappe la carlingue, la décharge ne se produit pas vers l’intérieur.
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 Ces couches constituent les plaques du condensateur.
- de l’effet du doigt
Le doigt se comporte comme la tige de l’expérience 2 : à l’endroit où on touche l’écran, le champ électrique s’intensifie.
- du contrôleur
Le contrôleur permet de repérer la position du doigt, l’endroit où le champ électrique augmente.
