Interactions électrostatiques
Les orages : un phénomène électrique naturel
Les nuages d'orage sont des cumulonimbus, gros nuages en forme de hautes tours ou d'enclume, dont la base se situe aux environs de 1000 m d'altitude, et dont le sommet se situe aux environs de 10.000 m.
Ils sont composés à la fois d'eau et de glace. Ils se forment souvent à la fin d'une journée d'été lorsque de l'air chaud et humide s'élève dans l'atmosphère. Cet air, au fur et à mesure qu'il s'élève, se refroidit et se condense en donnant des gouttelettes d'eau, puis de la glace.
Les gouttes de pluie, les grêlons et les particules de grésil (de petits grains de glace) tombent par gravité vers le bas du nuage. Ils s’électrisent par frottements avec des gouttes d'eau et des cristaux de glace de taille inférieure qui restent en suspension. Lorsque les grosses particules entrent en collision avec les cristaux de glace à une température inférieure à une limite critique, autour de -15 °C, les grains de grésil se chargent négativement, et positivement si cette température est supérieure à ladite limite. La base du nuage se retrouve alors chargé ce qui provoque une charge par influence de la surface de la Terre sous le nuage. La base du nuage et la surface de la Terre se comporte alors comme des plaques d’un condensateur géant entre lesquelles un champ électrique prend naissance dans l’air.
L’air reste un milieu isolant tant que le champ n’atteint pas une certaine limite appelée champ disruptif de l’air, dont la valeur est de 10000V/cm pour l’air saturé en humidité (dans les conditions climatiques d’un orage). Si cette valeur est atteinte ou dépassée, l’air devient conducteur : les molécules s’ionisent et un courant électrique s’établit entre la base du nuage et la Terre : c’est la foudre. Ce courant s’accompagne d’un phénomène lumineux (l’éclair) et sonore (tonnerre).
Walter De Maria est un artiste américain né le 1er octobre 1935 à Albany en Californie
Lightning Field est achevé en 1977 au Nouveau-Mexique. C’est son œuvre la plus reconnue : l’artiste a constitué un rectangle dans la nature d’1 kilomètre sur 1,6 km. Ce rectangle est rempli de 400 poteaux en acier qui orchestrent un ballet de foudre. Le Lightning Field est géré par la DIA Art Foundation de New York.
Quelques rappels :
Il existe deux types de charges électriques : négatives et positives
Un noyau est formé de neutrons électriquement neutres et de protons chargés positivement
Autour du noyau se trouve un cortège électronique ; les électrons sont chargés négativement
La charge d’un électron est exactement opposée à la charge d’un proton
On appelle charge élémentaire la charge d’un proton ; elle est égale à e=1,6.10-19 C
Les atomes comptent autant de protons dans leur noyau que d’électrons autour de ce noyau
La matière, au repos (qui ne subit pas de « perturbation » ou « d’excitation ») est électriquement neutre
Dans les réactions chimiques, c’est la répartition des électrons qui change et est responsable de la rupture ou de la création de certaines liaisons ; le noyau n’intervient pas
Il faut une quantité d’énergie colossale pour arracher un proton au noyau ; on réalise alors une réaction nucléaire
I. Le phénomène d’électrisation :
1. Electrisation par contact :
L’électroscope est un appareil permettant de mettre en évidence l’existence de charges électriques.
Il est constitué d’un plateau métallique relié par un conducteur électrique de charges à deux lames légères également conductrices.
Protocole :
On frotte un bâton d’ébonite à l’aide de la peau de chat.
On met en contact le bâton d’ébonite avec le plateau de l’électroscope.
Observations :
Les plaques de l’électroscope s’écartent.
Interprétation :
- « Au cours du frottement, le bâton a été électrisé négativement » ; expliquer cette phrase.
Le frottement permet d’arracher des électrons à certains atomes constituant la peau de chat. Le bâton porte alors un excès d’électrons.
Electriser signifie charger électriquement
- L’électroscope a été électrisé par contact. Que s’est-il passé au cours du contact ?
Les électrons initialement localisés sur le bâton se sont répartis sur toutes les parties métalliques de l’électroscope
- Que nous apprend cette expérience au sujet des charges électriques de même nature ? Justifiez.
Des charges de même nature se repoussent.
- Récapitulez les positions et mouvements des charges au cours de l’expérience.
2. Electrisation d’un pendule :
a. Electrisation par influence :
Réaliser l’expérience suivante :
Frotter énergiquement un bâton d’ébonite avec la peau de chat.
Approcher le bâton d’ébonite du pendule (paille + boule en polystyrène)
Observations :
Le pendule est attiré jusqu’à ce qu’il y ait contact, puis il est repoussé.
Interprétations : faire un schéma pour chaque explication :
Quel est l’effet du frottement sur le bâton ?
Le bâton arrache des électrons à la peau de chat.
Pourquoi le pendule bascule-t-il vers le bâton lorsqu’on approche ce dernier ?
Le pendule se charge par influence : excès d’électrons repoussés derrière la boule, défaut d’électrons devant la boule (chargé
positivement).
Expliquer le phénomène observé après contact avec le bâton ?
Au cours du contact, des électrons sont
transférés du bâton à la boule. Celle-ci possède donc un excès global d’électrons comme le bâton (qui conserve une partie des électrons excédentaires). Les deux parties se
repoussent.
b. Mise en évidence des natures des charges
Interaction pendule – peau de chat : Protocole :
Electriser le pendule par contact, comme dans l’expérience précédente
Une fois le pendule électrisé, approcher la peau de chat
Observation :
La peau de chat attire le pendule.
Interprétations : Que confirme cette expérience à propos de la nature des charges électriques ?
Il existe bien 2 types de charges électriques : des charges de natures opposées s’attirent.
II. Champ électrique :
1. Champ électrique créé par une sphère :
a. Expression de la force électrostatique :
On a vu que l’interaction électrostatique entre 2 sphères de charges qA et qB s’exprimait de façon suivante :
Si qA et qB de signes opposés :
Si qA et qB de même signe :
Expression de l’intensité des forces électrostatiques :
Les intensités des forces FABet FBA sont égales. Cette intensité est proportionnelle au produit des valeurs absolues des charges et inversement proportionnelle au carré de la distance qui sépare ces charges.
Proposer une expression de l’intensité des forces.
r2
q K q
F
FA B B A A B
avec K=9.109m.F-1
Expression vectorielle des forces :
Proposer une expression vectorielle des forces qui rendrait compte de toutes les informations données ci-dessus.
AB B A A
B B
A u
r q K q F
F
2
b. Expression du champ électrostatique :
On définit le champ créé par la charge qA à l’endroit où se trouve B par la relation suivante :
B B A
q
E F soit A uAB
r K q E 2
Si qA > 0
Si qA < 0
c. Lignes de champs et lignes de potentiel :
Lignes de champ :
Courbes tangentes au vecteur champ en chacun de leurs points. Elles sont orientées dans le sens du champ (des charges positives vers les
charges négatives).
Plus les lignes de champ sont resserrées, plus le champ est intense.
Surfaces équipotentielles :
Le champ a la même intensité pour chaque point d’une surface équipotentielle.
Chacune de ces surfaces est caractérisée par un état électrique particulier appelé « potentiel électrique » noté V se mesurant en Volt (V).
Le champ électrique est orienté dans le sens des potentiels décroissants.
uAB
A
E uAB
A
E
A B
A
FB uAB FAB
A FBA FAB B
uAB
2. Champ créé entre 2 surfaces planes parallèles A et B d’un condensateur soumises à une tension électrique U :
Un condensateur est un composant électronique ou électrique, constitué de deux armatures conductrices (« plaques ») parallèles l’une à l’autre et séparées par un isolant (ou « diélectrique »).
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.
a. Dispositif expérimental : la cuve rhéographique
b. Quelques données :
- La cuve rhéograohique se comporte comme un condensateur (même si le sulfate de cuivre n’est pas totalement isolant)
- On établit une tension U=6V entre les deux plaques de cuivre de la cuve.
La tension électrique U est la différence de potentielle (différence d’état électrique) entre les deux plaques : U = VA – VB
Si la différence de potentiel U = VA – VB est positive alors VA > VB : le potentiel de la plaque A est supérieur au potentiel de plaque B.
Lorsqu’on établit une tension électrique U=6V, on a donc VA – VB = 6V. Le potentiel de la plaque B peut être considéré comme nul (VB=0V) et le potentiel de la plaque A égal à 6V (VA=6V).
c. En utilisant ce dispositif, proposer une méthode qui permet de définir la disposition des surfaces (ici lignes) équipotentielles.
On déplace le stylet et on cherche ses positions qui permettent de maintenir une tension constante au voltmètre.
d. Réaliser l’expérience et les mesures qui permettent de déterminer la position des surfaces équipotentielles correspondant aux valeurs V=1, 2, 3, 4 et 5V. Les représenter sur le schéma ci-dessous. En déduire les lignes de champ électrique et encadrer au crayon la région où on peut considérer le champ électrostatique constant.
Les surfaces équipotentielles sont parallèles les unes aux autres et parallèles aux plaques de cuivre ; les lignes de champ sont perpendiculaires aux surfaces équipotentielles ; le champ électrique entre les plaques est uniforme.
e. 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 électrique autour de la tige.
f. 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 électrique à l’intérieur de l’anneau ?
g. Expression de l’intensité du champ électrique : d EU
Avec U = VA – VB : tension entre les plaques A et B et d : distance entre les deux plaques
III. L’orage :
1. En utilisant les informations des documents et les interprétations des expériences, compléter le schéma ci-dessous en indiquant :
- La répartition des charges dans le nuage
- La charge de la surface de la Terre en-dessous du sol
- Les lignes de champ et les surfaces équipotentielles entre le nuage et la base du nuage - Le champ électrique en différents points entre la base du nuage et le sol et la tour Eiffel.
2. Calculer la tension électrique entre la base du nuage et le sol au moment de l’éclair.
3. Où la décharge se fait-elle préférentiellement ? Justifier.
Quelle est l’application de ce phénomène ?
Autour d’un paratonnerre (pointe) les lignes de champ se resserrent et le champ électrique devient plus intense, privilégiant la zone d’ionisation de l’air
4. Cages de Faraday : A partir de l’expérience 2f,
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.
Une cage de Faraday constitue une surface équipotentielle. La cage étant isolée, il n’y a pas de diminution ou d’augmentation de potentiel à l’intérieur de la cage et donc aucun champ électrique à l’intérieur. La foudre ne peut donc entrer à l’intérieur d’une cage de Faraday.
Les avions et les voitures constituaient une cage de faraday lorsque leurs carcasses étaient en métal.
5. Modélisation de la foudre :
Machine de Wimshurst : Cette machine permet d’obtenir des charges électriques très importantes sur deux sphères métalliques. Chacune des sphères portent un certain type de charges.
Lorsque suffisamment de charges sont accumulées sur chaque boule, et que ces boules ne sont suffisamment proches l’une de l’autre Il apparaît un arc électrique entre les deux boules qui se déchargent à travers l’air (ionisation).
IV. Quelques applications :
1. Principe de l’impression LASER : http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89lectrophotographie Schéma de l’imprimante Laser :
Source : Université Laval (Canada) http://www.fsg.ulaval.ca/opus/scphys4/complements/photoco.shtml
Le cylindre d'impression (tambour) est recouvert d'un polymère photoconducteur spécial qui est initialement chargé en
électricité statique par un dispositif haute tension.
Ce photoconducteur est exposé à une lumière laser pour former l'image à imprimer. Les parties exposées à la lumière se
déchargent.
De l'encre en poudre (toner) ou liquide est déposée sur le cylindre d'impression, elle est attirée sur les parties déchargées et repoussée par les autres. L'encre liquide donne une meilleure qualité car elle permet de transférer plus de particules pour une même masse.
L'encre est ensuite transférée directement sur le support
d'impression, lui-même chargé en électricité statique, chauffé et pressé afin de fixer définitivement l'encre par polymérisation (encre liquide) ou par fusion (toner). Sur certains modèles, le four est enduit d'une fine couche d'huile de silicone. En fin de cycle, le cylindre d'impression est débarrassé des résidus d'encre et rechargé en électricité pour commencer le cycle d'impression suivant.
