Petit Jean-Pierre - L'Ambre Et Le Verre Histoire de l'Électricité

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    11-Jul-2016

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  • Jean-Pierre P tit

    L.,AM&RE ET LE VERRE Histoire de l'lectricit

    l '

    Cette lectricit est vraiment dnue du moindre intrt. Un amusement de salon, tout au plus. a n'a aucun avenir, si vous voulez mon avis.

    SCIENCE ET CUL TURE POUR TOUS http / /www.screnc.ec.ulturepo~rto s.net I

    Jean-Pierre Petit

    L.,AM&RE ET LE VERRE

    Histoire de l'lectricit

    j

  • PROLOGUE Papy, c'est catastrophique J Anselme et moi, on ne comprend rien ce qu'est I' ELECTRICITE Les ampres, les volts, les ohms tout cela se mlange dans nos pauvres ttes !

    qu'est-ce que vous ne comprenez pas ? mais Tout!

    ce qu'est le COURANT ELECTRIQUE

    a n'est pas expliqu nulle part!

    ----------

    mes enfants, si vous voulez r ellement comprendre ce

    qu'est I' ELECTRICITE i 1 va vous falloir remonter

    loin dans le pass .

    Figure-vous que le mot lectricit vient du Grec ELECKTRON, qui veut dire ambre. C'est une rsine fossile qu'on trouvait dans le nord de l'Europe, sous forme de petits blocs jaunes, translucides que les

    anciens utilisaient pour faire des bijoux.

    au V0 sicle avant JC le mathmaticien Thals avait remarqu qu'en frottant cette ambre avec de la laine ....

    3

  • ELECTRICITE STATIQUE

    pas besoin. La rgle en plexiglas de ta trousse

    fera l'affaire.

    Q 0 0 0

    ... celle-ci attirait des petits objets comme des brindilles

    des fragments de plumes

    et tout cela resta pendant deux mille ans un mystre complet. Juste un truc pour amuser les gosses

    Il fallut attendre 1740 pour que des hommes comme le franais Dufay se posent la question de savoir POURQUOI ces phnomnes se produisaient

    boule de bois de ~-+t----s ure au, trs lger

    les hommes se mirent alors frotter absolument n'importe quoi, pour essayer. Ils se sont aperus non seulement que l'ambre et la rsine pouvaient tre ELECTRISES PAR FROTTEMENT, mais que le soufre et le VERRE possdaient aussi cette proprit. On construisit alors des machines, o on mettait des sphres ou des disques de rsine, de soufre

    et de verre, qu'on lectrisait, en les frottant sur des coussinets de cuir, en les mettant en rotation avec une manivelle

    au point qu'on obtint des ETINCELLES, bien visibles

    dans l'obscurit

    5

  • ,

    il existe beaucoup de matriaux qui peuvent tre lectriss par le frottement de l'air. Par temps sec, les pneus des voitures se chargent et on peut ressentir une dcharge en saisissant la poigne du vhicule. Les chats peuvent aussi charger leur poi 1 par frottement ( "' ) Un chat lectriquement charg, isol par les coussinets de ses pattes, ressent une dcharge quand il lche quelque chose ou quelqu'un

    Les pales en matriau synthtique du rotor d'un hlicoptre se chargent couramment sous plus de 100.000 volts. Lorsque les pilotes veulent rcuprer un naufrag, ils laissent d'abord tremper le cble dans l'eau avant que celui-ci ne s'en saisisse.

    Les plongeurs sautent dans l'eau, depuis l'hlicoptre, pour viter d'tre le trait d'union travers lequel la machine se dchargera dans l'eau de mer

    ('Ji:'.) Un chat trs velu peut se charger sous 50.000 volts, et pro~uire de trs jolies tincelles, dans l'obscurit. Si la secousse est ressentie, le dommage 6 corporel reste insignifiant, car l'intensit lectrique reste trop faible.

    quand on tire sur le ruban apparat une vive lueur bleute l'endroit o s'opre

    le dcollement

    on peut crer un phnomne lectrique trs spectaculaire, en s'enfermant dans

    un local obscur, avec un rouleau de chatterton. On opre alors par arrachement

    par arrachement ?

    un moyen assez peu conomique pour

    s'clairer

    assez intense pour qu'on

    arrive lire un texte!

    Seuls certains matriaux peuvent tre lectriss par frottement. On s'ingnia

    frotter tous les METAUX possibles sans obtenir le moindre rsultat

  • 8

    ELECTRiSA TiON iNDUiTE

    Mais on dcouvrit que ceux-ci ne restaient pas sans ragir, quand on approchait un objet lectriquement charg, fait de rsine ou de verre.

    en approchant de ce dispositif une boule de rsine lectrifie

    ce stade, il est impossible de continuer cette prsentation de l'lectricit sans voquer des dcouvertes qui ne seront effectues que deux sicles et demi plus tard

    si j'loigne la boule, les lamelles d'or se remettent pendre comme avant

    Il fallut attendre 1905 pour que le No-Zlandais Ernest Rutherford montre que la matire tait faite d'atomes. Puis le Danois Niels Bohr, en 1913, dcrivit ceux-ci comme tant constitus par un NOYAU, charg positivement, autour duquel gravitaient un ou plusieurs ELECTRONS, porteurs d'une charge lectrique ngative.

    Les charges de mme signe se repoussent

    Les charges de signes contraires s:attirent, ce qui permet de construire un ATOME D'HYDROGENE o un lectron orbite autour d'un noyau constitu par un unique PROTON, la force d'attraction lectrique (entre charges de signes opposs) quilibrant la FORCE CENTRIFUGE.

    ATOM( , r>'HYJ>R06ENE

    Proton force @-~ttraction

    lectrique ~ force centrifuge e-

    lectron

    dans les noyaux des autres atomes cohabitent plusieurs protons, et des particules lectriquement neutres, appeles NEUTRONS

    ATOME" t>'H.L.iUM ~?~~ton

    je ne comprends pas lectron / J

  • les particules composant les NOYAUX des atomes s'appellent des NUCLEONS. Leur cohsion est assure par la FORCE NUCLEAIRE , attractive, qui devient plus importante que la force cre par les charges lectriques, courte distance

    2 protons 2 neutrons

    dans un noyau d'atome i 1 y a toujours, grosso modo, autant de protons, chargs positivement, que de neutrons, dpourvus de charge lectrique

    mais i 1 y a TOUJOURS autant de protons, de charges + que d'lectrons, de charges - , ce qui fait que tous

    les atomes sont aECTRIQUEMENT NEUTRES

    Dans les gaz et les liquides, les atomes s'assemblent pour former des MOLECULES, constitues au minimum par deux atomes

    Exemple, la molcule d'oxygne:~ 02. ~ 2 atomes d'oxygne

    ou de gaz carbonique : C 0'2. )'-(..., .k:... oxygne j oxygne

    oud'eau : A hydrogne \ hydrogne

    oxygne

    carbone

    Dans les UQUil:>ES ou les GAZ les molcules voluent librement, tout en restant lectriquement NEUTRES Dans un SOUl:>E les noyaux sont fixes les uns par rapport aux autres

    Sel de cuisine : chlorure de Sodium o les noyaux s'agencent selon un maillage cubique

    Dans un MET AL ( l'tat solide ) les atomes sont fixes les uns par rapport aux autres . Une partie des lectrons volue librement, la manire dont des abeilles circulent dans une ruche. Quand un morceau de mtal est livr lui-mme, les densits de charges positives, contenues dans les noyaux, et les densit des charges ngatives, celles des lectrons sont gales. Le milieu est lectriquement neutre.

    MORCEAU t>E MTAL

    .,;$ .

    :' _ ($ 0 0 J 0 i ~"'~o 0 "__'f e.o: .e ;;.a .~.-

    @ noyau

    o- lectron

    Quand on frotte d l'ambre, ou de la rsine, sa surfce se tapisse d'lectrons supplmentaires, qui s'attachent sur les atomes et constituent une distribution FIXE de charges ngatives.

    o-60 _ _ RSiNE. 0 Q':t . 0 00000-. .. -o o ooO ... -ooo o CJ>._

    oooo 0 f 0 0 .

    AT OME.5 NE.UTRt:S;..;-0 o o o o v..

    jusqu' la dcouverte des

    CHARGES ELECTRIQUES on parlait alors

    d'lectricit rsineuse

    Quand on frotte un morceau de verre on arrache des lectrons d'atomes situs

    =e~i::s-+

    + o-&0-0 t o~0ooOo ~o o oo sa surface. Ces LACUNES sont alors 0 o 0 i V~R .f e:o l'quivalent d'une distribution FIXE + ~0000 o 0 00o0 de charges positives. ~: ~g O 0

    0 OO o 0

    0

  • ~o- --_ . -

    - - -

    Si on approche un morceau de rsine, charg ngativement, d'un morceau de mtal, les lectrons de celui-ci se trouveront repousss

    Le phnomne d'lectrisation induite se concentrera sur la surface, le corps du mtal restant neutre. Sous l'action des charges ngatives portes par le bloc de rsine, tout se passe comme si la face en regard du

    bloc de mtal, se tapissait de charges positives, la face oppose se trouvant tapisse, elle, de charges ngatives.

    1) Les charges opposes s'attirent, les charges de mme signe se repoussent

    2) Ces forces sont proportionnelles l'inverse du carr de la distance qui les spare

    Les charges+ tant plus proches de la rsine que les charges -celle-ci va lgrement attirer

    le bloc de mtal J;

    que se passerait-i 1 si au lieu d'approcher du mtal un morceau de

    rsine lectris ngativement, on avait approch un morceau de verre,

    lectris positivement ?

    rflchis, Sophie. Tu auras aussi un phnomne d'lectrisation

    induite, mais invers

    cela veut dire que le morceau de mtal sera repouss ?

    Cette fois, le bloc de verre va attirer les lectrons du mtal, qui vont se rassembler sur le face qui est en regard, et quitter la face oppose. Au rsultat, on aura toujours une (lgre) attraction

    --02..+-+ - : N .; + -_ ....... +

    -t

    13

  • Par effet d'lectrisation induite les charges prsentes la surface repoussent les lectrons du mtal vers les feuilles d'or. Et comme

    j'ai compris pourquoi les deux lamelles d'or s'cartent quand vous rapprochez votre bloc de rsine lectrise

    ~ :_~= cuivre

    les charges de mme signe se repoussent, celles-ci s'cartent

    Les deux objets s'attirent lgrement mais les feuilles d'or se soulvent, car leur poids est infime

    Les lectrons se retirent des feuilles d'or et s'amassent la partie suprieure de la tige

    Jlt

    i 1 se passe pratiquement la mme chose quand vous approchez un bloc de verre lectriquement charg

    ( la surface duquel on a arrach des lectrons)

    Q + + +

    -+ -1- les feuilles d'or charges positivement

    se repoussent

    mais quand on loigne les blocs lectriss, les lectrons retournent leurs places, le phnomne disparat et le morceau de mtal redevient

    ELECTRIQUEMENT NEUTRE

    comment CHARGER un morceau de mtal ?

    L 7 E:LECTROPHORE tige en matriau isolant (bois)

    plateau de rsine

    lectrons

    j ~ ~-t t t t t t + +- +- + + +

    - - - Q - g c g g Q Q l RtSiNE:

    cet objet trs simple a t invent en 1800 par !'Italien Volta. En approchant le disque

    de mtal d'une galette de rsine lectrifie, on cre un effet

    d'lectrisation induite

    repousss par les lectrons prsents

    la surface de la galette de rsine, ceux

    du mtal quittent la partie infrieure du disque, pour migrer

    vers sa partie suprieure

    15

  • membrane inf rieure

    Phore vient d'un mot Grec qui signifie porter. Un lectrophore est donc un instrument qui permet de transporter des charges lectriques. Pour bien comprendre comment cela fonctionne, nous utilisons une analogie de mcanique des fluides.

    Qu'est ce que c'est que ce bazar ?

    --~--~-: ..

    Rz point d'tan:it~ L---""."".""' __ J:r====f==~~: ! ! l J. .:::::; _ cuvette i---------~~~ ~ '.:)

    cuvette

    LE BAROPHOREc*)

    16

    Quand on enfonce le barophore dans son logement, l'air est emprisonn dans l'espace A. Cette sur pression se rpercute dans le volume B et les deux membranes

    sont courbes vers le haut.

    ("') Baros = la pression ; phore = porter Etymologiquement : transport de la pression.

    T membr anes

    Volume T quasi infini par rapport au volume B

    Par le Robinet R1

    On connecte ensuite le volume 8, limit par les deux membranes avec un immense rcipient T, galement limit par deux vastes membranes. Le volume est initialement la pression atmosphrique. Les pressions en B et en T vont s'galiser, pratiquement la pression atmosphrique. Aussi la membrane suprieure du barophore deviendra pratiquement plane. On referme alors le robinet R1 et on extrait le barophore de son logement . On obtient ceci :

    0

    Le volume B est alors en DPRESSION par rappor t la pression atmosphriRue ampiante. On pourra transporter cet air DEPRIME o l'on voudra, et s'en servir pour dimi,nuer lgrement la pression dans une CAPACITE, de volume cette fois limite C.

    c

    Les deux pressions s'galisent, le barophore B a ainsi permis de crer une lgre, dpression dans cette CAPACITE C emplie d'air, dont les membranes se creusent lgrement.

  • On peut rditer l'op,ration, et chaque fois on pou_rra extrair~ un peu . d'air de la CAPACITE C, mais de moins en moins. Mais au bout d un certain nombre d'opration, ceci se rvlera inoprant parce que les pressions (en fait des dpressions) seront devenues gales.

    On obtient ainsi une bizarre pompe vide o, l'aide du barophore, on

    TRANSPORTE t>E LA t>EPRSSION

    Est-ce qu'on pourrait s'en servir pour transporter de la ... surpression ?

    T

    c

    Quand le barophore est la pression ambiante, nulle tension ne s'exerce sur les metl}branes. Quand on a achev les diffrentes manuvres, on a cr une DEPRESSION dans l'enceinte B. Il subsiste des TENSIONS dans les membranes. On qualifiera alors cette TENSION de NGATIVE. Avec le barophore on va maintenant mettre l'enceinte B, comprise entre les deux membranes, en SURPRESSION et nous dirons que celles-ci sont en tat de TENSION POSmVE.

    ~ ~~< Rz! 1 r 1 1? 2.

    On ouvre le robinet R2. et on enfonce le barophore dans son logement. Puis -on ouvre R1 , mettant l'enceinte B en communi-

    cation avec la grande enceinte.

    On ouvre le robinet R2 et on extrait le barophore. 1.9

  • Les deux pressions s'galisent, le barophore B permet ainsi de crer une lgre ~uppression dans la CAPACITE C emplie d'air, donc les membranes se bombent lgrement.

    3 R1 ~--C +_] On peut rditer l'opration avec ce compresseur main jusqu' ce que les pressions en B et en C soient gales. Alors la pression cr~e en C sera maximale. On dira que la CAPACITE C aura t porte une TENSION POSITIVE Maxi male.

    n La pompe devient efficace quand les pressions en B et C deviennent gales, lorsque les TENSIONS dans les membranes sont gales.

    Revenons notre lectrophore. Les lectrons prsents la sur-~ face de la rsine repoussent les

    lectrons du mtal vers la partie suprieure du disque.

    R

    20

    ~~ouvrant le r~~inet R1 , on pe.r~etta~t la surpression rgnant en B de s evacuer dans l 1mmense capac1te T, d un volume considr comme infini.

    +++-+ +--+ + ++ ++-+'+.:+:+:-+;+: 00000;; noo ;;;oa-;o;:;a;

    ) RSiNE \ l De mme, en mettant le plateau de l'lectrophore en contact avec cette immense capacit lectr ique qu'est la TERRE, on permet aux lectrons de diffuser dans cet espace.

    ~--~IL~-T (Terre) 0 j\io

    Rit Si NE. + + 'i 0

    J

    0

    L'quivalent du geste de fermeture du robinet R1 consiste dconnecter le plateau d'avec la TERRE.

    Les. charges positives portes maintenant par le disque sont en fait des lacunes qui se situent en regard des charges ngatives portes par la rsine.

    21

  • Quand on loigne l'lectrophore du disque de rsine, les lectrons du mtal migrent en se distribuant uniformment la surface du plateau, ce qu'on schmatise en disant qu'on a charg l'lectrophore avec des CHARGES POSITIVES.

    Si l'on met notre lectrophore de surfaces avec une capacit de surface S, les deux dispositifs se partagent les charges positives de telle manire que les densits de charges par unit de surface soient gales. En fait ce sont les lectrons du grand disque qui migrent vers le petit. En rditant l'opra-tion, on pourra ainsi raliser un apport des charges , qui cessera quand la densit des charges la surfae de l'lectrophore sera gale celle de la CAPACITE qu'i 1 a charg.

    Cest marrant comme tout, ce truc.

    Je commence comprendre l'analogie avec le barophore. Avec celui-ci, condition d'oprer un nombre suffisant de transferts de gaz, on pouvait porter une enceinte d'un volume quel-conque la mme pression que celle qui rgne dans l'enceinte B, quand on l'extrait de son logem...

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