Le phénomène d'électrisation
Objectifs
À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• mettre en évidence
l'électrisation d'un corps par frottement ;
• reconnaître les deux types de charges électriques et prévoir si deux corps chargés s'attirent ou se repoussent ;
• décrire l'électrisation par frottement, par contact et par influence ;
• expliquer l'électrisation par un transfert d'électrons ;
• distinguer un conducteur d'un isolant ;
• expliquer une décharge électrique, l'éclair et le rôle du paratonnerre.
Situation de départ
Par temps sec, vous vous coiffez avec un peigne en plastique : vos cheveux se dressent et « suivent » le peigne. En descendant de voiture, vous touchez la portière et vous sentez une petite décharge qui pique. Et pendant un orage, un éclair géant traverse le ciel. Ces trois phénomènes ont-ils la même origine ?
I. Mise en évidence de l'électrisation
Un pendule électrostatique est formé d'une petite boule très légère (polystyrène recouvert d'une feuille d'aluminium), suspendue à un fil de soie.
• On approche une règle en plexiglas non frottée : il ne se passe rien.
• On frotte la règle avec un tissu en laine, puis on l'approche sans toucher la boule : la boule est attirée.
Le frottement a changé les propriétés de la surface de la règle : elle attire maintenant les corps légers. On dit qu'elle est électrisée, ou chargée d'électricité.
Le verre, le plexiglas, les matières plastiques (PVC, ébonite), le caoutchouc, la laine, les tissus synthétiques et même les métaux (tenus par un manche isolant) peuvent s'électriser par frottement. Un corps électrisé attire les corps légers (papier, cheveux, boule de polystyrène).
Ces expériences réussissent seulement dans un air sec : dans un air humide, les charges s'échappent très vite.
II. Les deux types de charges électriques
On frotte avec de la laine des bâtons de verre, de plexiglas et de PVC. On pose un bâton sur un pivot, où il peut tourner, et on approche de son extrémité un autre bâton frotté. On observe :
Interactions entre bâtons frottés avec de la laine
| Bâtons approchés | verre | PVC | plexiglas |
|---|---|---|---|
| verre | répulsion | attraction | répulsion |
| PVC | attraction | répulsion | attraction |
| plexiglas | répulsion | attraction | répulsion |
Il y a donc deux comportements : certains corps électrisés repoussent le verre frotté, d'autres l'attirent. Il existe donc deux types de charges électriques. Par convention :
• le verre frotté avec de la laine, et tout corps qu'il repousse, porte une charge positive (+) ;
• tout corps électrisé attiré par le verre frotté porte une charge négative (-).
Deux corps chargés de même signe se repoussent.
Deux corps chargés de signes contraires s'attirent.
Un ballon de baudruche frotté sur un pull attire une règle en verre frottée et repousse une règle en PVC frottée. Il est repoussé par le PVC, chargé négativement : le ballon porte donc une charge négative.
Une attraction ne prouve pas que les deux corps sont chargés : un corps chargé attire aussi un corps neutre léger (la boule du pendule au début). Seule une répulsion prouve que les deux corps portent des charges de même signe.
III. Les modes d'électrisation
1. Par frottement
Le tissu en laine qui a frotté une règle en plexiglas attire cette règle ; un tissu qui n'a rien frotté n'a aucune action sur elle : il est neutre. Le frottement électrise donc les deux corps : le corps frotté et le corps frottant prennent des charges de signes contraires.
Le signe pris par un corps dépend aussi de l'objet qui le frotte : la laine devient négative en frottant le plexiglas, mais positive en frottant le PVC.
2. Par contact
On approche une règle en PVC frottée de la boule neutre d'un pendule : la boule est attirée, elle touche la règle, puis elle est aussitôt repoussée. Après le contact, la boule est chargée, avec le même signe que la règle (ici négatif). Avec une règle en plexiglas frottée, positive, la boule devient positive.
Un corps qui touche un corps électrisé peut s'électriser à son tour : c'est l'électrisation par contact. Il prend une charge de même signe que le corps électrisant.
3. Par influence
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