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Expériences d'électrostatique faciles à réaliser soi-même

 


Attraction et répulsion d'objets légers

HISTORIQUE

Thalès de Milet, fondateur de l'école ionienne (VIIème siècle av. J.-C.), divulguait la propriété du succin ou ambre jaune (êlektron en grec), d'attirer les objets légers une fois frotté avec une fourrure.
Pendant des siècles on n'a fait aucun lien entre ce phénomène et la foudre ou l'action paralysante de la torpille.
En 1600 William Gilbert dans sa publication De magnete corporibus et de magnete tellure retrouve les propriétés de l'ambre jaune dans le verre, le copal, le diamant, l'améthyste, l'opale, le saphir, l'agate, le marbre, les perles, l'alun, le sel gemme, le mica, l'arsenic et le soufre. Il pense (à tord) que d'autres corps comme les métaux, l'émeraude, l'ivoire et les pierres magnétiques n'auraient pas cette propriété.
Il est le premier à utiliser le terme "electric".

EXPERIENCES

Frottez une "paille" en plastique avec un mouchoir en papier.Approchez cette paille électrisée de petits morceaux de papiers ou d'aluminium posés sur une table isolante. Ils sont attirés et restent comme collés dessus.

attraction
Vidéo - Papiers

Par abrasion à partir d'un cube de polystyrène d'environ 1 cm d'arête faire une petite sphère.Suspendez-la par un fil très fin à un support. Approchez une paille électrisée : la boule est attirée et peut même être soulevée.

attraction
Vidéo - Boule

Il est possible de tourner les pages d'un livre avec un paille suffisamment électrisée.

attraction
Vidéo - Livre

Repassez la première vidéo de cette page. Vous observerez l'éjection de trois petits morceaux d'aluminium qui étaient restés chargés.

attraction
Vidéo - Papiers au ralenti

EXPLICATIONS

Le frottement électrise la "paille" en lui laissant un excès de charges négatives.
Admettons que:

  • les charges de même signe se repoussent
  • les charges de signe contraire s'attirent
  • ces forces d'attraction ou de répulsion sont plus intenses sur les charges les plus proches.

En s'approchant d'un objet neutre (c'est à dire contenant autant de charges des deux signes) la paille va attirer les charges positives qui seront plus proches et repousser les charges négatives. L'effet global des forces sera donc une attraction.
Dans l'action de frottement l'un des corps enlève des petits fragments de matière à l'autre. La cassure des molécules ou des atomes est telle que ces fragments peuvent emporter des électrons supplémentaires ou au contraire en manquer : ce qui leur donne une charge.
On peut constituer une série "triboélectrique" en classant les corps selon cette propriété. Tout corps recevra des électrons de ceux qui le précèdent dans la liste et en prendra à ceux qui le suivent.
Les métaux sont conducteurs car les électrons les plus loin du noyau d'un atome (les plus "libres") ont la possibilité de passer sur un atome voisin. Le mouvement d'ensemble est le courant électrique.
On comprend facilement pourquoi un petit morceau d'aluminium est attiré mais comment est-ce possible avec un isolant puisque c'est justement dans ces corps que les électrons ont du mal à passer d'un atome au voisin ?
Les orbites des électrons sous l'influence des charges externes se trouvent décalées par rapport au noyau positif. Cet effet est très faible mais il concerne un nombre considérable d'atomes.
Notez que la frontière entre isolants et conducteurs est très relative: dans les expériences d'électrostatique le papier se comportera comme un conducteur.


Le ballon attiré au plafond

EXPERIENCES

Gonflez un ballon et frottez le sommet avec un mouchoir en papier.
Poussez-le délicatement au plafond: si l'air est sec il pourra y rester attiré pendant plusieurs heures

Ballon

L'explication est la même que pour l'expérience précédente à cette différence près que cette fois c'est le ballon qui par influence déforme les atomes du plafond.
Ce sont encore les charges qui s'attirent qui sont les plus proches et qui ont l'action la plus forte.
Selon le principe de l'action et de la réaction la force exercée par le plafond sur le ballon est opposée à celle qu'exerce le ballon sur le plafond.


Filet d'eau dévié

EXPERIENCES

Frottez une "paille" en plastique avec un mouchoir en papier. Approchez-la d'un filet d'eau : il est puissamment dévié.

jet1          jet2
Vidéo - Filet d'eau

La molécule d'eau contient un atome d'oxygène associé à deux atomes d'hydrogène. Dans cet assemblage les trois atomes ne sont pas alignés. Il en résulte que la molécule se comporte électriquement comme deux charges de signes opposés très proches que l'on appelle dipôle.
En l'absence d'une influence électrique l'orientation de ces dipôles est aléatoire et globalement aucune charge ne se distingue. Tout change lorsqu'on approche la paille puisqu'elle attire les charges positives et repousse les autres: les dipôles s'orientent d'où l'effet d'attraction.


Versorium

Ce petit instrument est un versorium. Il se fabrique en quelques minutes.
L'ailette découpée dans une feuille d'aluminium ménager remplace l'aiguille de Gilbert.
Il peut détecter des objets chargés et à ce titre c'est un électroscope.

versorium
Vidéo - Versorium

CONSTRUCTION

Découpez dans du polystyrène extrudé un parallépipède rectangle de 2X2X4 cm. Le redécouper en forme de pyramide.
Dans une feuille d'aluminium ménager,découpez un rectangle de 1X4 cm. Redécoupez en forme d'ailette et percez le centre avec une épingle.
Plantez le tout au sommet de la pyramide.
Votre versorium est terminé.

Image versorium 1          Image versorium 2          Image versorium 3          Image versorium 4

EXPLICATIONS

Supposons l'ailette métallique initialement neutre. Les charges de signe opposé s'attirent et celles de même signe se repoussent, donc une paille chargée négativement va attirer des charges positives sur la pale la plus proche et repousser des charges négatives sur l'autre (fig.1).
L'ailette va s'orienter (fig.2), dès que les forces entre les charges seront plus fortes que les frottements. Elle suivra les mouvements de tous les objets chargés.

versorium figure 1          versorium figure 2


Electroscope à deux feuilles

L'électroscope a deux avantages par rapport au versorium.
L'écartement des feuilles augmente avec la quantité de charges. Lorsqu'il est déja chargé, cet écartement varie selon le signe des nouvelles charges.
Pour faire les expériences suivantes vous devez en entreprendre la construction. Ce n'est pas le plus rapide à réaliser, mais il vous étonnera par son extrême sensibilité.
Par comparaison vous pourrez très facilement sélectionner les pailles qui s'électrisent le mieux.

électroscope
Vidéo - Electroscope

MATERIAUX
 

  • Matériaux utilisés pour l'électroscope et ses accessoires:
  • un tube de dentifrice usagé,
  • une paille en plastique articulée,
  • un peu de plâtre,
  • un récipient, un peu d'eau et une spatule.
  • un petit pot en verre à col large et un boitier de CD (pour remplacer le couvercle s'il est métallique).
  • 20 cm de fil de cuivre rigide de section 1 ou 1,5 mm2, fil gainé comme ceux utilisés dans les installations électriques domestiques,
  • 3 à 4 cm de fil de cuivre fin (0,4 à 0,6 mm de diamètre sans la gaine) de préférence argenté (ce fil peut provenir d'un câble miltibrins),
  • une feuille d'aluminium ménager,
  • quelques épingles,
  • capuchon d'un tube dentifrice.
  • un mouchoir en papier,
  • une paille en plastique pour les charges négatives,
  • une tige de verre ou mieux en plexiglas ou en perspex pour les charges positives,
  • du fil polyamide très fin (fil de pêche ou, si vous êtes très adroit, du fil extrait d'un collant filé),
  • une feuille de papier A4,
  • quelques morceaux de polystyrène,
  • un sèche-cheveux, si l'air est humide.

REMARQUE

Les récipients en verre tels que : petits pots de bébé, pots de yaourt ou verre à moutarde conviennent. Préférez celui qui aura un couvercle isolant. Il vous suffira de le percer au centre. Évitez à tout prix les couvercles métalliques et remplacez-les par un disque découpé par exemple dans un boîtier de CD.
Les feuilles ne doivent pas être trop proches du plateau et leur surface correspondre à peu près à la moitié de la surface de ce dernier. Elles ne doivent pas toucher ni même être trop proches des parois internes du récipient lorsqu'elles sont écartées à l'horizontale. Leur mobilité joue un rôle essentiel dans la sensibilité de l'électroscope. Il faut donc que les trous soient bien nets et placés le plus haut possible afin que les feuilles ne se gênent pas dès qu'elles commencent à s'écarter.
Le récipient doit être propre et sec. Je déconseille de l'essuyer avec un papier ou un chiffon ce qui aurait pour conséquence de déposer des charges un peu partout. Après quelques manipulations il est facile de retirer les charges qui pourraient rester sur le verre en le frottant doucement avec une feuille d'aluminium froissée.

CONSTRUCTION
 

  • Enlevez 12 cm de la gaine du fil de cuivre. Coudez à angle droit la partie dénudée. Enroulez-la en spirale. Coupez la partie droite en fonction de la hauteur de votre pot et dénudez l'extrémité sur 3 mm.
    Remarque: Faire la spirale dans un plan perpendiculaire au reste du fil. Refermer un peu la dernière spire en arc de cercle.
  • Percez le centre du couvercle isolant au diamètre de la gaine du fil de cuivre. Fixez-le avec un point de colle de chaque côté.
    Remarque: Si le couvercle du pot est métallique, remplacez-le impérativement par un disque découpé dans une boîte en plastique. Avant de mettrez la colle, ajustez la position pour que les feuilles qui seront accrochées à l'extrémité inférieure puissent être bien visibles.
  • Bobinez le fil fin nu sur la partie inférieure en terminant par un crochet presque fermé.
    Remarque: Pour le fil fin, préférez du fil argent, le contact sera meilleur.
  • Pliez en deux sur un papier épais un morceau de feuille d'aluminium. Découpez un trapèze presque triangulaire.
    Remarque: Le papier ne sert qu'à faciliter la découpe de deux feuilles identiques.
  • Redécoupez en forme de poire et trouez.
    Remarque: La forme réelle a peu d'importance. Évitez les formes pointues. Évitez surtout que les feuilles se gênent en s'écartant.
  • Accrochez la forme.
  • C'est terminé.

Image 2          Image 3          Image 4
Image 5          Image 6          Image 7
 Image 8

HISTORIQUE

Avant de découvrir les conducteurs Stephen Gray s'apercoit (1727) que les corps ne s'électrisent pas seulement par frottement mais qu'il peuvent aussi acquérir la propriété d'attirer des petits objets si on les met en contact avec un corps déjà électrisé.

Le premier électroscope à feuilles d'or est dû à Charles de Cisternay du Fay. Il lui a permis de:

  • distinguer les électricités résineuses et vitrées (1728).
  • montrer que les substances que Gilbert pensait ne pas s'électriser le pouvaient si on les tenait par l'intermédiaire d'un isolant. C'était la conduction du corps de l'opérateur qui les déchargeaient.
  • établir la conduction des charges par une corde de chanvre humide de 400 m (1733).
  • établir la conductivité des flammes.

EXPLICATIONS

Approcher un objet chargé du plateau de l'électroscope a pour effet d'y attirer des charges de signe opposé au détriment des feuilles. On peut dire que cela revient à repousser vers les feuilles des charges de même signe que celles de l'objet.
Les feuilles prenant toutes deux la même charge, il y a répulsion et elles s'écartent.

figure électroscope


Charge par contact

EXPERIENCES

Tapotez plusieurs fois le plateau de l'électroscope avec une paille électrisée.
En éloignant la paille les feuilles restent écartées.

contact1          contact2

L'opération est un peu laborieuse car seules les charges du point de contact peuvent passer dans l'électroscope et se répartir sur le plateau, la tige et les feuilles. Il est plus facile d'y arriver indirectement de manière suivante:

  • Approchez une paille électrisée en interposant un carré d'aluminium. Faites contact avec le plateau.
  • Retirez solidairement la paille et le conducteur. Les feuilles restent écartées.


Remarques:
     - Si les feuilles redescendent en même temps que vous retirez la paille, c'est qu'il n'y a pas eu de tranfert de charges. Pour bien faire, vous devez:
          - déplacer la paille ou la tourner sur elle même pour trouver les endroits où il y a le plus de charges.
          - la recharger de temps en temps.

     - Retirez bien la paille et le métal en même temps. Si vous éloignez la paille en premier, son influence va diminuer et la feuille d'aluminium comme l'électroscope redeviendront neutres.

contact3          contact4

HISTORIQUE

Avant de découvrir les conducteurs Stephen Gray s'apercoit (1727) que les corps ne s'électrisent pas seulement par frottement mais qu'il peuvent aussi acquérir la propriété d'attirer des petits objets si on les met en contact avec un corps déjà électrisé.

EXPLICATIONS

Avec la méthode directe, la difficulté vient aussi du fait que dès que l'électroscope commence à se charger, le nouveau point de la paille en contact doit être encore plus chargé pour que le transfert soit efficace.
Avec la méthode indirecte, la paille négative attire des charges positives sur la face du métal en regard et comme celui-ci est neutre la face tournée vers le plateau devient négative. Lors du contact une partie de ces charges se répartit sur l'électroscope et y reste si on enlève simultanément la paille et le métal.

figures influence


Charge par influence

HISTORIQUE

L'électrisation par influence a été découverte en 1754 par John Canton.

EXPERIENCES

Approchez une paille électrisée d'un côté du plateau de l'électroscope.
Touchez du doigt l'autre côté: les feuilles retombent.
Retirez le doigt: rien ne change.
Retirez la paille: l'électroscope reste chargé.


Remarques:
     - Séparez bien les deux actions. Il faut éloigner le doigt avant de commencer à retirer la paille.
     - Il n'y a aucune raison que cette expérience ne réussisse pas si la paille est près du plateau et loin des feuilles.

influence1          influence2          influence3          influence4
Vidéo - Charge par influence

EXPLICATIONS

La première étape (fig. 3) correspond à l'expérience intitulée "électroscope" : les feuilles sont négatives comme la paille.
En touchant le plateau du doigt (fig. 7), l'électroscope se décharge (voir l'expérience sur la charge et décharge par contact). Ici, il y a une différence essentielle : l'influence de la paille. Le plateau reste positif et seules les charges négatives des feuilles, qui sont loin de cette influence, s'écoulent dans le sol, à travers le corps de l'opérateur. L'électroscope est devenu positif.
En retirant le doigt (fig. 8), on l'isole et il conservera sa nouvelle charge.
En retirant la paille (fig. 9), on supprime son influence et les charges positives se répartissent librement entre le plateau et les feuilles.

figures influence


Décharge de l'électroscope

EXPERIENCES

Pour décharger l'électroscope, touchez du doigt le plateau: les feuilles retombent alors.

charge                    decharge
Vidéo - Décharge

EXPLICATIONS

À l'instant du contact, l'électroscope ( plateau + tige + feuilles ) et le corps de l'opérateur ne forment plus qu'un seul conducteur à la surface duquel les charges initialement sur l'électroscope se répartissent. La surface de l'électroscope étant très petite par rapport à celle du corps, il ne reste quasiment plus de charges sur l'électroscope. Cela est d'autant plus vrai que, à moins que l'opérateur ne soit isolé du sol, le conducteur en contact avec l'électroscope est en fait la terre, dont la surface est immense !


Le pouvoir des pointes

HISTORIQUE

Benjamin Franklin découvre le pouvoir des pointes et, après avoir prouvé la nature électrique de l'éclair, invente le paratonnerre en 1752.

EXPERIENCES

Placez une paille chargée à proximité des pointes. Éloignez-la ensuite: l'électroscope reste chargé.
On fera attention à ce qu'il y ait pas de contact entre la paille et les pointes.


Une seule pointe bien effilée peut suffire, cependant le transfert est d'autant plus efficace que:

  • le nombre des pointes est grand
  • elles sont plus aigues
  • la paille est bien chargée
  • sa distance est faible

      Pointes1            Pointes2
Vidéo - Pointes

EXPLICATIONS

La répartition des charges à la surface d'un conducteur dépend des influences et de sa forme. Plus le rayon de courbure est faible, plus il y a concentration ( fig. 10).
Lorsque la paille passe tout près, l'accumulation des charges positives apparues par influence à l'extrémité de la pointe est si grande qu'elles vont être expulsées et neutraliser localement les charges négatives de la paille (fig. 11). La pointe a perdue autant de charges positives que la paille de charges négatives. Finalement c'est comme si l'électroscope avait pris des charges négatives à la paille.


Toute pointe est susceptible d'émettre les charges du conducteur auquel elle est reliée pour neutraliser celles qui passent à proximité. C'est le principe des peignes des machines électrostatiques qui sont un moyen de collecter les charges produites par frottement ou par influence. C'est aussi le principe du paratonnerre. Dans les générateurs de hautes tensions il faut absolument éviter que les conducteurs aient des parties saillantes. Cela pourrait provoquer des effluves en ionisant l'air et créer des fuites. Le cylindre de révolution et la sphère sont les deux formes géométriques qui assurent une répartition parfaitement uniforme des charges.

pointe1          pointe2


Deux sortes de charges électriques 1 - Electroscope positif

HISTORIQUE

On savait depuis toujours que les corps électrisés attiraient les corps neutres. Robert Boyle avait trouvé que l'inverse est également vrai (Experiments and Notes about the Mechanical Origin or Production of Electricity). Otto von Guericke avait observé (1672) que les corps électrisés se repoussaient.
En 1733 Charles Dufay tente l'expérience suivante : il électrise une feuille d'or par contact avec une baguette de verre frottée. En approchant un morceau de copal électrisé, il s'attendait à observer une répulsion et surprise, il constate que la feuille d'or est attirée ! Il venait de distinguer l'électricité vitreuse et l'électricité résineuse.

EXPERIENCES

Frottez une paille et chargez l'électroscope par influence.
Approchez ensuite la paille du plateau les feuilles commencent par se rejoindre.
Approchez la paille plus près du plateau. Les feuilles s'écartent à nouveau.

Remarque: Si les feuilles ne s'écartent pas lorsque la paille est près du plateau rechargez-la.

charges1          charges2          charges3
Vidéo - Charge positive

EXPLICATIONS

Chargé par influence avec une paille négative l'électroscope devient positif (fig. 9). Voir l'expérience intitulée "Charge par influence".
La paille négative va attirer des charges positives sur le plateau et repousser d'autant plus de charges négatives vers les feuilles qu'elle sera proche.

Avec une paille suffisamment électrisée on va observer successivement:

  • des feuilles qui retombent (fig. 12) parce qu'elles deviennent moins positives
  • des feuilles collées (fig. 13) lorqu'elles sont devenues neutres
  • puis des feuilles qui s'écartent à nouveau (fig. 14) en devenant négatives

 electr. positif


Deux sortes de charges électriques 2 - Electroscope négatif

EXPERIENCES

Chargez l'électroscope par les pointes puis rapprochez la paille chargée : les feuilles divergent encore plus.

Remarques:
     - Avec une paille négative, il est possible de charger l'électroscope négativement soit par contact soit par les pointes.
     - Si les effets sont faibles rechargez la paille.

       charges4          charges5
Vidéo - Charge négative

EXPLICATIONS

On commence avec un électroscope négatif (fig. 15).
La paille négative va attirer des charges positives sur le plateau qui va devenir successivement moins négatif (fig. 16), neutre (fig. 17) puis positif (fig.18).

Remarque: Plus la paille sera proche, plus les feuilles deviendront négatives donc s'écarteront.

 electr. positif


Nature des charges électriques

De l'expérience précédente on peut conclure que si les feuilles s'écartent plus à l'approche d'un objet, il porte des charges de même signe que l'électroscope.
Si à l'inverse, les feuilles se referment on peut en déduire quel'objet et l'électroscope portent des charges de signes opposés.
Une baguette qui s'électrifie positivement lorqu'elle est frottée, provoquera une réaction inverse à celle de la paille.

Remarques:
     - Certains verres frottés avec de la laine peuvent se charger positivement ils sont de composition très diverses aussi il est impossible prévoir quel sera le signe réel de l'électrisation.
     - Essayez avec les accessoires en nylon pour poêles antiadhésives frottés avec de la laine.
     - Les plus sûrs sont le plexiglas et le perspex (marques déposées) qui s'électrisent positivement lorsqu'on les frotte avec un mouchoir en papier ou avec un bout de laine.


Deux sortes de charges électriques 3 - Electroscope positif

EXPERIENCES

Chargez positivement un électroscope par influence avec un paille négative.
En approchant la baguette les feuilles s'écartent plus.
Si les feuilles s'écartent plus, vous avez trouvé un objet positif.

charges6          charges7
Vidéo - Charge positive

La baguette positive attire d'autant plus de charges négatives sur le plateau qu'elle est proche.
La plateau au départ positif (fig. 19) devient donc successivement moins positif (fig. 20), neutre (fig.21) puis négatif (fig.22).

Remarque: Plus on approche la baguette plus les feuilles deviendront négatives donc s'écarteront.

 electr. positif


Deux sortes de charges électriques 4 - Electroscope négatif

EXPERIENCES

Chargez négativement un électroscope par contact avec un paille négative.
En approchant la baguette positive les feuilles se rejoignent.
Approchez l'objet encore plus près du plateau, les feuilles s'écartent à nouveau.

Remarques:

     - Avec une paille négative, il est possible de charger l'électroscope négativement soit par contact soit par les pointes.
     - Si les les feuilles ne s'écartent pas lorsque la baguette est très près du plateau, il faut la charger plus.

charges8                 charges9          charges10
Vidéo - Charge négative

EXPLICATIONS

Plus la baguette se rapproche du plateau, plus elle y attire des charges négatives et plus elle rend les feuilles positives.
L'électroscope isolé est initialement positif (fig. 23), les feuilles commencent par se refermer (fig. 24) puis deviennent neutres (fig. 25) et ensuite s'écartent à nouveau en devenant positives (fig. 26)

 electr. positif


La conduction

HISTORIQUE

Gilbert avait crû (1600) que certains corps comme les métaux et l'ivoire ne s'électrisaient pas.
Gray fait en 1729 l'expérience suivante: il suspend une corde de 765 pieds avec des fils de soie (isolants), produit de l'électricité à une extrémité et constate que la boule d'ivoire fixée à l'autre extrémité attire les corps légers.
Desagulier montre que les corps que Gilbert pensait ne pas pouvoir s'électriser sont les mêmes que ceux que Gray trouve conducteur.
De Cisternay du Fay reprend en 1733 l'expérience de Gray avec un corde de 400 m. Il donne l'explication : les conducteurs peuvent s'électriser si on les tient par un isolant.

PREPARATION

Prenez une feuille de papier A4 et découpez dans le sens de la longueur une bande de 1 à 2 mm de large.
Insérez une des extrémités de ce ruban dans la paille d'un support et l'autre entre les spires du plateau.

EXPERIENCE

Électrisez une autre paille et placer-la très près du sommet de la potence : les feuilles s'écartent lentement.
Retirez la paille chargée : les feuilles retombent lentement.

Remarques:
     - Si l'air est humide les feuilles vont s'écarter un peu vite. Passez alors un petit coup de sèche-cheveux sur le papier: la différence sera spectaculaire.
     - Si l'écartement est faible, introduisez une petite bande d'aluminium dans la partie supérieure de la paille du support (vous pouvez aussi la coller à cette extrémité du papier).

conduction
Vidéo - Conduction

EXPLICATION

Au cours des expériences précédentes, lorsque l'objet chargé approche du plateau de l'électroscope, l'écartement des feuilles semble simultané.
Ici la paille négative repousse les électrons du papier et ce mouvement de charges met quelques secondes pour atteindre les feuilles: la bande de papier est simplement énormément plus résistante (ou moins conductrice) que le cuivre de la tige de l'électroscope.
La vitesse moyenne du déplacement des électrons est inversement proportionnelle à cette résistance.
Le mouvement des feuilles est similaire mais auparavant il était si rapide qu'il nous paraissait immédiat.


Le signe des charges

HISTORIQUE

Après la découverte par François de Cisternay du Fay de deux sortes d'électricité il y eût une longue controverse entre les partisans de la théorie des deux fluides comme Robert Symmer, Toburn Bergman, Charles de Coulomb et Siméon Poisson et ceux du fluide unique comme William Watson, Benjamin Franklin, Frank Aepinus et Henry Cavendish.
Les deux fluides étaient supposés se trouver en quantité égale dans les corps neutres tandis que le fluide unique se trouvait soit en excès soit en carence dans les corps chargés.
Franklin reprenant la théorie de Watson supposa que l'ambre frotté par une peau de chat perdait du fluide c'est à dire de l'électricité ; on dirait aujourd'hui des charges. Il qualifia alors de positifs les corps ayant un excès de fluide et de négatifs ceux qui en manquaient.
Cette conception avait l'avantage de s'affranchir des termes vitreux et résineux trop attachés à une matière précise. Le sens du transfert de cet hypothétique fluide fut naturellement défini comme le sens du courant puis Karl von Weber associa aux termes négatif et positif les symboles arithmétiques - et +.
Plus tard on découvrit l'électron et on fut contraint de lui donner une charge négative car il était trop tard pour rectifier l'erreur historique. C'est la raison pour laquelle dans un métal le sens "conventionnel" du courant est opposé au sens réel de déplacement des électrons.

EXPERIENCE

Plusieurs méthodes sont possibles pour déterminer le signe de la charge d'un objet :

  • Par comparaison avec l'électroscope: Dans les expériences précédentes il a été vu que l'électroscope prend une charge de même signe que l'objet s'il est chargé par contact ou par les pointes et prend une charge de signe opposé par influence. Il a été vu également que si on approche ensuite un nouvel objet, il est du même signe que l'électroscope si les feuilles commencent par se refermer, et de signe contraire si elles s'écartent. Il suffit donc de connaître avec certitude le signe de la charge d'un objet pour en déduire celui de tous les autres.
  • Directement avec un multimètre: Reprenez le support et le papier de l'expérience précédente et procurez-vous un multimètre.
    • Insérez une des extrémités du ruban dans la paille du support et l'autre dans la borne +. Laissez le fil de la borne - (COM) courir sur la table.
    • Sélectionnez le calibre 200 mV =.
    • Approchez rapidement l'objet chargé de la partie supérieure du support : le signe fugitif qui apparaît est celui de la charge.
    • Retirez l'objet chargé : c'est pendant un instant le signe opposé.

Remarques:
     - Si la table est trop bien isolée du sol tenez de l'autre main l'extrémité de la sonde noire pour la mettre à la terre.
     - Les courants sont temporaires car dus à la charge ou la décharge de condensateurs. Il faut donc approcher ou retirer rapidement l'objet à sonder et lire vite l'affichage.
     - Une autre solution consiste à poser l'appareil à plat sur la table ou mieux sur une feuille d'aluminium de 20 X 20 cm qu'on met à la terre avec une main. Il suffit d'approcher l'objet chargé de la borne +. Si la mesure est encore faible branchez-y un fil court.

signe

EXPLICATIONS

Approcher une paille ou un autre objet négatif repousse les électrons vers l'appareil.
Il est alors traversé par un courant conventionnel négatif. Quoique très faible et fugace il est suffisant pour qu'on puisse en déceler le signe.
Le retrait rapide de l'objet provoque un courant temporaire dans l'autre sens.
Un objet positif donne des courants de sens opposés et des signes inverses.
Notez que la plupart des appareils n'indiquent que le signe moins, l'absence de signe sous-entend le signe plus.
Le papier ne sert qu'à augmenter la durée de l'affichage et n'est pas indispensable.


Le carillon électrostatique

EXPERIENCE

Préparez une sphère en polystyrène expansé recouverte d'aluminium et suspendez-la à un support par un fil de nylon très fin.
Placez-la entre deux petits carrés ou disques de papier épais sur lesquels vous aurez collé, d'un seul côté, une feuille d'aluminium.
Approchez rapidement une paille bien chargée : la boule fait plusieurs aller et retour entre les deux plaques.
Retirez la paille : la boule recommence.

Remarques:
     - Il faut trouver une dimension des plaques qui ne soit ni trop grande ni trop petite. Essayez des carrés de dimension double du diamètre de la boule.
     - Plus les plaques sont proches, mieux cela marche. Une distance inférieure au double du diamètre de la boule convient.
     - Un support en polystyrène extrudé ou expansé est parfait.
     - Les béquets insérés dans le support ne sont pas métallisés. Veuillez à mettre le côté métallisé des plaques vers la boule.

carillon
Vidéos - Carillon

EXPLICATIONS

Par influence la paille négative rend la plaque A positive de son côté (voir fig. 27) et, puisqu'elle est neutre, négative du côté de la boule. L'influence de A sur B reproduit une disposition semblable avec un peu moins de charges. La boule, encore neutre comme A et B, devient positive côté A et négative côté B. L'attraction de A est plus puissance et elle s'y dirige.
Au moment du contact (fig 28) une partie des charges négatives de A se répartit sur la boule car l'ensemble ne forme plus qu'un seul conducteur. Maintenant négative, elle est repoussée par A et attirée par B qu'elle va heurter.
Dans ce deuxième contact, la boule va céder sa charge négative et acquérir une charge positive (fig. 29). Il s'en suit qu'elle est repoussée par B et attirée par A. En heurtant A, elle va à nouveau changer de signe. On constate que dans chaque trajet la boule prend des charges à une plaque et neutralise une partie des charges de l'autre.
Le carillon s'arrêtera dès que les forces seront insuffisantes pour qu'il y ait contact. Dans cet état final la plaque A est positive (car l'influence de la paille n'a pas changée) et la plaque B faiblement négative
En retirant la paille, les charges de A se répartissent sur les deux faces. Ce qui provoque par influence une répartition de charges presque inverse de celles du début en ce qui concerne la boule et la plaque B (fig. 30). Si la paille était fortement électrisée les forces seront suffisantes pour que la boule entreprenne encore quelques voyages.
Dans le vrai carillon électrostatique, au lieu d'une paille pour charger les plaques, on les relie à un générateur de haute tension qui, dès que la boule quitte une armature, compense les charges perdues. Les oscillations peuvent dans ce cas continuer indéfiniment.

chime1          chime2          chime3          chime4


L'électrophore

HISTORIQUE

Le premier électrophore, inventé par Alessandro Volta, était constitué d'un disque métallique au centre duquel était scellé un manche de verre. Un gâteau de résine coulé dans un moule en bois était électrisé par le frottement d'une peau de chat. Comme dans la présente expérience, le disque placé sur la résine était chargé par influence en le touchant du doigt.

PREPARATION

Récupérez le couvercle d'un des tubes que vous avez utilisé pour faire vos socles et recouvrez-le entièrement d'aluminium (intérieur et extérieur).
Choisir un disque métallique de diamètre inférieur au tube et collez en son centre une petite tige isolante.
Découpez un morceau de polystyrène extrudé en forme de parallélépipède. Sa plus grande surface doit dépasser celle du disque.
Le traverser en son centre d'un fil de cuivre coudé à angle droit et dépassant l'épaisseur de 2 mm.

électrophore1          électrophore2

CHARGE DE L'ELECTROPHORE

Prenez le bloc de polystyrène entre le pouce et l'annulaire et frottez, avec de la laine ou du coton, la surface entourant le petit bout de cuivre. Pendre garde de ne plus toucher cette surface ensuite.
Appuyez avec l'index sur le fil de cuivre pour le mettre à la terre. De l'autre main prendre le disque par la tige et faire contact.
Vérifiez la charge du disque.

EXPLICATIONS

Le polystyrène frotté est négatif. La face du disque de l'électrophore en regard devient positive par influence (fig. 31) et l'autre face négative puisqu'il est neutre.
Lors du contact avec le fil conducteur recourbé qui est relié au sol par le doigt et le corps de l'opérateur, les charges négatives du disque disparaissent (fig. 32). En réalité, le disque ne dévore pas les charges du bloc : c'est l'opérateur et le terre qui absorbent les charges négatives du disque.

Remarque: Pour comprendre, voir les expériences intitulées "Charge et décharge par contact" puis "Charge par influence".


En retirant le disque, il emporte sa charge, qui se répartit sur les deux faces (fig. 33).
La surface du bloc de polystyrène conservant sa charge négative, si le disque est déchargé, il suffit de le remettre en contact, comme précédemment (fig. 31 et fig. 32), pour le recharger.

figure 31          figure 32          figure 33

TRANSFERT DES CHARGES DE L'ELECTROPHORE A L'ELECTROSCOPE

Placez le couvercle cylindrique métallisé sur le plateau de l'électroscope.
Introduisez le disque chargé dans le cylindre, sans toucher la paroi latérale.
Mettez- le en contact au fond.
Retirez le disque.
Ne posez pas le bloc isolant. Vous pouvez recommencer à charger l'électrophore et à le décharger au fond du cylindre. Les feuilles de l'électroscope s'écartent un peu plus, à chaque fois.

Reamarques:

     - Pour que la surface frottée du bloc ne se décharge pas, il ne faut surtout pas la toucher, ni poser le bloc.
     - Dans le cylindre, évitez le contact avant que le disque ne soit au fond : le taux de transfert serait plus faible.

                    
                    

EXPLICATIONS

Au départ l'électroscope est déchargé (fig.34).
Lorsque le disque est bien à l'intérieur du cylindre (fig. 35), la surface interne de ce dernier voit apparaître une charge opposée tandis qu'une charge identique se répartit sur la surface externe du cylindre et sur l'électroscope.
L'ensemble cylindre et électroscope est encore neutre.

figure 34          figure 35


La cage de Faraday

HISTORIQUE

En 1767 John Priestley dans son traité The History and Present State of Electricity remarque qu'il n'y a aucune force à l'ntérieur d'une cavité métallique.
Charles de Coulomb prouve en 1786 que l'électrisation est superficielle.
Henry Cavendish était arrivé à la même conclusion peu de temps avant.

PREPARATION

Découpez deux rubans d'aluminium de 1 cm de large et suffisamment longs pour entourer l'électroscope du fond jusque sur le couvercle.
Superposez-les en forme de croix grecque.
Placez l'électroscope au centre et pliez les rubans le long du récipient en les rabattant sur le couvercle.

EXPERIENCE

Chargez une paille et approchez-la du plateau. Les feuilles s'écartent.
Retournez la capuche sur le plateau.
Approchez la paille chargée. Les feuilles restent collées.

Remarques:
     - Les rubans d'aluminium doivent être en contact avec la capsule pour ne former qu'un seul conducteur.
     - Si les feuilles s'écartent un peu lors de la seconde phase de l'expérience, il faut faire des bandes plus larges ou en mettre une troisième.

cage1          cage2

EXPLICATIONS

Le métal entourant l'électroscope constitue ce que l'on appelle un écran électrostatique.
Cette expérience prouve que les charges extérieures sont sans action sur l'électroscope. C'est la raison pour laquelle on utilise des câbles blindés dès qu'on véhicule des signaux très faibles : microphones, télévision etc.


Date de création : 09/02/2022 10:11
Dernière modification : 09/02/2022 10:11
Catégorie : SCIENCES - Activités
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