TP Physique N° 01

Phénomène d'électrisation. Correction.

 

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Mode d'emploi  

 

But : Introduire les notions de charges électriques et d’interaction électrostatique.

 

1)- Mise en évidence.

-          Citer des exemples de la vie courante qui illustrent le phénomène d’électrisation.

-          Les phénomènes d’électrisation sont fréquents dans la vie de tous les jours :

-          Quand on enlève un pull en matière synthétique, les cheveux s’électrisent. Lorsque l’on se coiffe par temps sec, les cheveux s’électrisent.

-          Lorsque l’on approche la main d’un écran cathodique, on ressent des picotements.

-          L’électrisation des nuages conduit à la formation des éclairs.

 

a)-     Expérience 1.

Manipulation    Frotter une règle plastique sur de la laine. L’approcher de petits morceaux de papier posés sur la table.

Rédaction  Observer, puis faire un schéma de l’expérience.

-          La règle frottée attire des petits morceaux de papier.

b)-     Expérience 2.

Manipulation    Faire couler un mince filet d’eau et en approcher doucement la règle frottée.

Rédaction Observer, puis faire un schéma de l’expérience.

-          La règle frottée dévie un mince filet d’eau.

c)-     Conclusion : Que peut-on dire de la règle frottée ? Quelle est la propriété d’un tel corps ?

-          Au cours de ces expériences, on a mis en évidence un phénomène d’interaction à distance entre deux corps.

-          Certains objets peuvent être électrisés par frottement. Ils attirent alors à distance certains objets légers. Les objets doivent être légers pour que le phénomène soit observable.

-          Un corps électrisé est un corps qui porte des charges électriques.

2)- Les deux types d’électricité.

Manipulation    On frotte une tige de verre avec du coton, on l’approche d’un pendule puis on le met en contact avec celui-ci.

-          Observer.

-          On approche ensuite du pendule précédent une tige de PVC frottée sur de la laine. Observer.

Rédaction Faire un schéma détaillant les différentes étapes.

   

-          Quand on approche la règle frottée avec de la laine du pendule, le pendule est attiré par la règle.

-          Il y dans un premier temps, attraction, puis contact et enfin répulsion.

 

-          Comparer la charge portée par le pendule après contact avec celle de la tige de verre.

-          La comparer ensuite à celle portée par la tige de PVC. Conclure.

3)- Interprétation microscopique de l’électrisation.

-          Si l’expérience ne fonctionne pas avec le plexiglas et le verre, on peut utiliser la machine de Wimshurst.

-          Lorsque l’on frotte la règle avec un chiffon de laine, il y a électrisation de la règle par frottement. On approche la règle frottée du pendule. Le pendule subit l’influence de la règle, corps électrisé. Après contact entre le pendule et la règle, il y a répulsion entre le pendule et la règle.

-          Le pendule s’est électrisé par contact. Il porte le même type de charges électriques que la règle.

-          Des corps électrisés peuvent s’attirer ou se repousser. On peut en déduire qu’il existe deux types d’électricité.

-          Aux deux types d’électricité correspondent deux types de charges électriques :

-          Les charges positives et les charges négatives.

-          Deux corps qui portent des charges électriques de mêmes signes se repoussent.

-          Deux corps qui portent des charges électriques de signes contraires s’attirent.

a)-     Par frottement.

-          Quelles sont les particules élémentaires dont est constituée la matière ?

-          La matière est constituée à partir d’atomes. Les atomes sont électriquement neutres. L’atome est constitué d’un noyau positif entouré d’un nuage électronique. Le nuage électronique est constitué d’électrons chargés négativement.

-          Le noyau est constitué de protons chargés positivement et de neutrons électriquement neutres.

-          Au niveau du lycée, les particules élémentaires sont : les protons, les neutrons et les électrons.

-          Les phénomènes d’électrisation s’expliquent à partir des particules élémentaires.

-          Par frottement, ce sont les électrons périphériques qui sont arrachés des atomes.

-          Lors de l’électrisation par frottement, certaines de ces particules sont arrachées. Lesquelles ? Pourquoi ?

-          L’électrisation par frottement résulte d’un transfert d’électrons d’un corps vers un autre. Par frottement, on agit sur la surface de la matière. On n’agit pas au niveau du noyau.

-          Comment se charge alors le corps qui a perdu ces particules ?

-          Le corps qui perd des électrons présente un défaut d’électrons. Globalement, il est chargé positivement.

-          Le corps qui gagne des électrons présente un excès d’électrons. Globalement, il est chargé négativement.

-          Conclure.

-          L’électrisation par frottement résulte d’un transfert d’électrons d’un corps vers un autre.

-          Un corps chargé positivement possède un défaut d’électrons.

-          Un corps chargé négativement possède un excès d’électrons.

b)-     Par influence.

-          Expliquer ce qui se passe pour le pendule microscopiquement quand on approche la tige de verre frottée avec du coton.

-          Lorsque l’on approche la règle frottée du pendule, la règle est électrisée par frottement alors que le pendule est électriquement neutre.

-          Avant contact, le pendule est électrisé par influence.

-          On considère que la règle frottée est chargée positivement (elle présente un défaut d’électrons).

-          Le pendule est neutre avant contact, mais il est attiré. Les électrons des atomes qui constituent le pendule sont attirés. Des charges de signes contraires s’attirent. Ils sont sous l’influence des charges positives de la règle.

-          Il se crée une dissymétrie dans la répartition des électrons permettant une attraction. Globalement, le pendule reste neutre. La zone en regard de la règle présente un excès d’électrons alors que la zone la plus éloignée de la règle présente un défaut d’électrons.

-          L’électrisation par influence résulte de la dissymétrie de la répartition des électrons dans un corps lorsqu’il subit l’influence d’un corps chargé.

-          Si on éloigne le corps chargé, la dissymétrie disparaît.

 

c)-     Par contact.

-          Expliquer ce qu’il se passe microscopiquement entre le pendule et la tige de verre frottée quand ils rentrent en contact.

-          Lors du contact entre le pendule électriquement neutre et la règle frottée chargée positivement, le pendule s’électrise. Le pendule est repoussé, il porte une charge électrique de même signe que la règle frottée.

-          Des électrons du pendule passent sur la tige. Le pendule se charge alors positivement, il présente un défaut d’électrons.

4)- Conducteurs et isolants.

a)-     La machine de Wimshurst.

-          Voir le Document 1.

 

Avant toute manipulation, décharger l’appareil

-          La machine de Wimshurst est constituée de deux plateaux de plexiglas portant chacune le même nombre pair de bandes conductrices.

-          On peut faire tourner les plateaux grâce à une manivelle et à un système de poulies et de courroies. Les deux plateaux tournent en sens contraires car une courroie est croisée.

-          Des balais métalliques frottent sur les plateaux lors de leur rotation. Les plateaux s’électrisent.

-          Des peignent métalliques, reliés à deux conducteurs recueillent les charges électriques. Les deux conducteurs communiquent avec deux boules et deux condensateurs (bouteilles de Leyde).

-          Lorsque l’on actionne la manivelle, les plateaux tournent. Une boule s’appauvrit en électrons et se charge positivement et l’autre boule présente un excès d’électrons et se charge négativement.

-          On peut utiliser cette machine pour charger des corps par contact.

Manipulation    Relier une boule de la machine à une extrémité d’une règle métallique posée sur un morceau de polystyrène.

-          Placer le pendule à l’autre extrémité de la règle. Observer ce qu’il se produit lorsque la machine fonctionne.

Manipulation    Recommencer l’expérience en remplaçant la règle métallique par une règle en plexiglas.

-          La boule de la machine électrise la règle en métal par contact. La règle de métal électrise à son tour par contact le pendule. Il y a un transfert d’électrons de la boule au pendule à travers la règle métallique.

-          Si on remplace la règle métallique par une règle de plexiglas ou de PVC, le transfert d’électrons ne s’effectue pas.

-          On dit que le métal qui constitue la règle métallique est un conducteur et le plastique un isolant.

-          Dans un métal certains électrons peuvent circuler : on les appelle les électrons libres.

-          Le plastique ne possède pas d’électrons libres, tous les électrons sont liés.

Rédaction Donner la définition d’un conducteur électrique et celle d’un isolant électrique.

-          Un conducteur électrique laisse facilement circuler des charges électriques.

-          Un isolant ne laisse pas circuler les charges électriques.

Rédaction Citer des matériaux conducteurs d’électricité et des matériaux isolants.

-          Les métaux, le carbone (graphite), les solutions ioniques : solution aqueuse de chlorure de sodium, solution aqueuse de sulfate de cuivre II,…

b)-     Porteurs de charges : Ce sont des entités dont la taille est microscopique et qui peuvent se déplacer dans les conducteurs.

-          Quels sont les porteurs de charges qui assurent la conduction dans les métaux ? Dans les solutions ?

-          Les métaux sont de bons conducteurs électriques. Ils possèdent des électrons libres. Dans les métaux, les porteurs de charges sont les électrons.

-          Dans les solutions électrolytiques, les porteurs de charges sont les ions : les anions et les cations.

Manipulation    Déterminer et réaliser une expérience permettant de mettre en évidence les porteurs de charges dans les solutions.

-          Passage du courant électrique dans une solution :

-          Dans un tube en U, verser 20 mL d’une solution de sulfate de cuivre II de concentration C = 1.0 mol / L et 80 mL d’une solution de permanganate de potassium de concentration C = 0,0010 mol / L (en mélanger dans un bécher).

-          Relier avec des électrodes en graphite à un générateur U 20 V environ et I 0,1 A environ.

-          Faire circuler le courant pendant ¼ heure environ. On obtient une coloration violette à une électrode et une coloration bleue à l’autre électrode.

c)-     Utilisation d’un électroscope.

-          Présentation d’un électroscope.

Rédaction Répondre aux questions concernant cet appareil en utilisant le Document 2.

 Additif du TP N° 01

La machine de Wimshurst

Document 1

Faire apparaître un arc électrique entre les deux sphères de la machine de Wimshurst.

Que se passe-t-il au moment où jaillit l’arc électrique ?

à quoi doit-on attribuer l’effet lumineux ? Le claquement ?

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Document 2

 

 

Un électroscope est formé d’une lame mince fixée à la tige verticale solidaire du plateau.

Cet ensemble est métallique.

Approcher du plateau la baguette d’ébonite frottée, puis la retirer.

a.  Quelle propriété du plateau métallique met-on ici en évidence ?

Établir le contact entre le plateau et la baguette et la retirer.

b.  Que se passe-t-il lors du contact entre le plateau et la baguette ?

Approcher la baguette frottée très près du plateau. Toucher le plateau avec un doigt puis retirer, dans l’ordre, le doigt puis la baguette.

c.  Quel phénomène a lieu au moment du contact entre le doigt de l’opérateur et le plateau ?

d.  Quelle propriété du corps humain met-on ici en évidence ?

e.  Comparer les états électriques du plateau de l’électroscope après les deux premières expériences.

       

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Matériel :

Élève : pendule électrostatique, tige de verre, règle, tige d’ébonite, tige en PVC, chiffon de laine, chiffon de coton, peau de chat ?

Prof : électroscope, machine de Wimshurst,

Dans un tube en U,

Électrodes de graphite

solution de sulfate de cuivre II de concentration C = 1 mol / L,

solution de permanganate de potassium de concentration C = 0,001 mol / L,

générateur continu réglable 30 V avec ampèremètre et voltmètre.