Un carillon et un accélérateur électrostatique

Comment faire osciller une petite boule métallisée entre deux canettes de soda, ou faire remonter la pente d’une gouttière à cette même boule ? Avec quelques raquettes utilisées pour neutraliser les mouches, que l’on trouve facilement dans le commerce, deux lycéennes vous montrent comment y parvenir. Ces deux expériences illustrent de manière simple et ludique la notion de champ électrostatique.

Fiche d’accompagnement de l’expérience:

 

  • Matériel

    Pour le carillon :

    • deux canettes de soda vidées de leur contenu ;

    • une balle de ping-pong usagée ;

    • des raquettes tue-mouches, ou une machine de Wimshurst ;

    • du papier d’aluminium ;

    • de l’adhésif spécial, recouvert de papier d’aluminium ;

    • une paille ;

    • un petit crochet métallique, ou un trombone à plier avec une pince ;

    • des connecteurs électriques.

    Pour l’accélérateur :

    • une gouttière semi-cylindrique d’environ 1,5 m de longueur, taillée dans un tuyau en pvc ;

    • de l’adhésif spécial, recouvert de papier d’aluminium conducteur ;

    • une bille de polystyrène (10 à 15 mm de diamètre) recouverte de peinture métallisée ;

    • des raquettes tue-mouches, ou une machine de Wimshurst ;

    • des connecteurs électriques.

Montage et réalisation

Pour le carillon :

Recouvrir la balle de ping-pong de papier d’aluminium, puis y planter le crochet métallique (ou en façonner un avec le trombone).
Passer la paille dans le crochet et suspendre la balle en la passant dans l’anneau des deux boîtes de soda.
La balle doit pouvoir osciller librement dans un plan vertical grâce au crochet qui lui sert de guide, et pouvoir venir frapper les deux canettes.
Pour améliorer les échanges électriques entre les boîtes et la balle, il est conseillé de recouvrir celles-ci d’adhésif métallique.
On peut également remplir partiellement d’eau chaque boîte afin d’assurer leur stabilité.
Relier les canettes aux pôles de la machine de Wimshurst.
Lorsqu’on actionne celle-ci, on voit la balle de ping-pong se rapprocher de l’une des boîtes, puis, après un bref contact avec celle-ci, être repoussée brutalement vers l’autre boîte et ainsi de suite.
Le bruit que fait la balle en percutant chaque canette rappelle la sonnerie d’un réveille-matin, d’où le nom de cette expérience.

Pour l’accélérateur :

Garnir l’intérieur de la gouttière sur toute sa longueur d’adhésif métallique de manière à former deux conducteurs électriques, selon les figures 3a et 3b :

L’espace entre les lamelles métalliques doit être égal à la largeur de celles-ci, et ajusté de manière à ce que la bille qui doit rouler dans la glissière ne puisse pas toucher simultanément deux lamelles consécutives. Typiquement, pour une bille d’un diamètre de 15 mm, une largeur de 15 mm suffit.

Relions la gouttière aux pôles d’une machine de Wimshurst. Si on de dispose pas d’une telle machine, on peut la remplacer par des raquettes électriques que l’on trouve dans le commerce pour se débarrasser des mouches, et qui fournissent une tension électrique d’environ 1000 Volts. Une dizaine de raquettes reliées en série permettent ainsi de réaliser l’expérience.

Prenons une bille de polystyrène et recouvrons-la de laque conductrice pour en faire un petit conducteur électrique ; la laque est préférable au papier d’aluminium car elle n’alourdit pas la bille.

Posons la bille à l’extrémité de la gouttière, et donnons-lui une impulsion : on voit alors la bille accélérer et parcourir toute la gouttière, jusqu’à son autre extrémité. Si la tension est suffisante (plusieurs milliers de Volts sont nécessaires, donc la machine de Wimshurst est indispensable), on peut incliner la gouttière à l’aide d’une cale, et voir la bille remonter cette pente.

Explications

Ces deux expériences sont similaires et permettent d’illustrer, de deux manières différentes, les mêmes lois physiques : le transfert de charges électriques par contact, et les forces d’attraction/répulsion existant entre deux charges électriques.

Dans le cas du carillon, la balle de ping-pong est d’abord attirée par l’une des deux canettes, par exemple celle qui porte une charge positive ; lorsqu’elle vient au contact de celle-ci, elle se charge positivement : elle est donc repoussée par la boîte en emportant une partie de cette charge positive (figure 4a). Celle-ci l’attire vers l’autre canette, qui est chargée négativement. Au contact de celle-ci, la balle perd sa charge positive et prend une charge négative qui, lorsqu’elle sera suffisante, va la projeter en sens inverse vers la première boîte (figure 4b), et ainsi de suite.

L’expérience de la gouttière s’explique de manière analogue, les lamelles métalliques des deux conducteurs jouant le rôle des boîtes précédentes. Dès que la bille a pris une charge électrique par contact, elle est d’abord attirée par la lamelle possédant la charge de signe contraire (figure 5a). La charge de la bille change alors de signe, elle est donc attirée par la lamelle suivante (figure 5b), et peut ainsi se déplacer, de proche en proche, sur toute la longueur de la gouttière.

Remarques

Il est possible de profiter de ces deux expériences pour introduire la notion de champ électrostatique, grandeur vectorielle notée et toujours dirigée depuis les charges positives vers les charges négatives (plus précisément,  s’éloigne des charges positives, et « pointe » vers les charges négatives). Une charge électrique q placée dans un champ  est soumise à la force  = q : cette force a le même sens que  si la charge q est positive, et est opposée à  dans le cas contraire.

Dans l’expérience du carillon, le champ électrostatique existant entre les deux canettes a toujours le même sens (de la boîte portant les charges positives vers celle chargée négativement, voir figures 4). La charge prise par la balle changeant de signe après chaque choc avec une boîte, il en résulte force qui change de sens à chaque demi période, assurant ainsi le mouvement d’oscillation de la balle.
Dans l’expérience de la gouttière, au contraire, le sens du champ électrostatique change de sens entre deux lamelles, selon qu’on envisage le couple de lamelles charge positive → charge négative ou le couple charge négative → charge positive (voir figures 5). Mais comme la charge de la bille change elle aussi, il en résulte une force  qui garde toujours le même sens : c’est elle qui fait progresser la bille le long de la gouttière.

Références

Université en ligne: Le carillon électrostatique

 

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