Les interactions fondamentales
F5
Comment se comportent certains corps frottés ?
Expériences sur l’électrisation par frottement.
Dispositif
Le dispositif utilisé est
constitué de deux tiges isolantes disposées parallèlement entre elles, formant
deux rails parallèles sur lesquels on peut faire rouler un (ou plusieurs)
petit(s) cylindre(s) constitué(s) de matériaux différents (paille – ou
chalumeau – qu’on utilise habituellement pour boire, tige de verre, tige
métallique, etc.).
Électrisation par frottement
Que communique le
frottement à certaines substances ? Quelle est la caractéristique de la matière
associée à la force observée ?
Certaines substances,
lorsqu’on les frotte, sont susceptibles de provoquer des phénomènes surprenants
: attraction de petits corps légers par une règle en plastique frottée,
plaquage par frottement d’une feuille de papier sur un revêtement plastifié,
redressement des cheveux avec un peigne, étincelles lorsqu’on froisse certains
tissus synthétiques, décharge électrique ressentie en refermant la portière de
son véhicule, en échangeant une poignée de main, etc. Le langage courant
associe à ces phénomènes l’adjectif électrique.
Expériences possibles
Placer une paille non
frottée sur le dispositif précédent.
Frotter légèrement une
règle ou le corps d’un stylo en plastique à l’aide d’un tissu (coton ou laine)
ou d’un essuie-tout en papier et l’approcher de la paille d’abord en présentant
la partie frottée et ensuite en présentant la partie non frottée.
Recommencer en frottant
plus énergiquement.
Questions possibles
• Dans quel cas peut-on
mettre en mouvement la paille sans qu’il soit nécessaire de la toucher avec la
règle ? Comment qualifie-t-on alors ce type d’action : action de contact ou
action à distance ?
• L’action exercée par
l’objet frotté et subie par la paille dépend-elle de leur distance mutuelle ?
Dans quel sens s’exerce cette action : attraction ou répulsion ?
• Lorsqu’on frotte plus
énergiquement la règle ou le corps du stylo, l’action sur la paille est-elle
modifiée ?
• Dans chacun des
phénomènes électriques cités en préambule, y a-t-il un objet au moins qui a été
frotté ?
• L’électrisation apparue
sur la partie frottée se transmet-elle à l’ensemble du solide frotté ?
• D’où vient le terme “
électricité ” ?
Commentaires
Après frottement, la règle
ou le corps du stylo présentent la même faculté d’attirer des corps légers
qu’un morceau d’ambre frottée : ils sont dits “ électrisés ” par frottement.
Initialement neutres, ils se sont chargés en électricité : une charge électrique
s’accumule sur la surface frottée.
Dès 600 avant Jésus-Christ,
Thalès de Milet rapporte l’observation de l’attraction de corps légers, tels
que des petits fétus de paille ou de petits fragments de plume, par un bâton
d’ambre jaune (résine fossile de conifères utilisée en bijouterie) frottée. Le
terme électricité vient du mot grec élektros qui signifie “ ambre ”. L’adjectif “ électrique ” est
introduit à la fin du XVIe siècle par le savant anglais William
Gilbert (De magnete, 1600).
Caractère isolant ou conducteur d’un
matériau
Tous les corps
s’électrisent-ils par frottement ?
Par expérience, se coiffer
avec un peigne métallique ne revient pas au même qu’avec un peigne en matière
synthétique. Avec le premier, les cheveux restent davantage plaqués au cuir
chevelu tandis qu’avec le second la chevelure gonfle davantage.
Expériences possibles
On dispose toujours d’une
paille non frottée (donc non électrisée) placée sur le dispositif précédent.
Reprendre l’expérience
précédente en utilisant une tige de verre frottée avec un morceau de tissu (de
préférence en coton ou, mieux, de soie).
Prendre une tige métallique
(cuivre, fer, etc.) et, après l’avoir frottée énergiquement, l’approcher de la
paille précédente toujours non frottée. Cette dernière subit-elle une action au
cours de l’approche de la tige métallique ?
Questions possibles
• Lorsqu’une action
s’exerce, cette action est-elle une attraction ou une répulsion ?
• Toutes les substances
ont-elles le même comportement électrique ?
• À quelle catégorie
appartiennent les substances qui agissent sur la paille après frottement :
substances isolantes ou substances conductrices ?
• Dans le cas d’un
conducteur, les charges électriques apparues par frottement à la surface de la
partie frottée pourraient-elles s’y maintenir ?
• D’où vient la différence
entre isolants et conducteurs ? Cette différence est-elle toujours nette ?
• Quel est le rôle des deux
pailles utilisées comme rails dans le dispositif expérimental ?
Commentaires
Après frottement, tous les
corps ne présentent pas la même faculté d’attirer des corps légers. Ceux qui
présentent cette faculté sont qualifiés d’isolants. Les autres, de conducteurs. L’anglais Stephen Grey (1666-1736) fut l’un des
premiers à classer les matériaux suivant deux catégories : les isolants comme
le verre, la résine, la soie et les conducteurs comme le métal, le chanvre, le
corps humain.
La différence entre un
isolant et un conducteur provient de la mobilité des charges dans le matériau.
Dans un isolant, une charge microscopique reçue en un endroit reste confinée
dans la zone où elle a été déposée tandis que dans un conducteur, cette même
charge peut s’y déplacer librement. Cependant, la différence n’est pas toujours
nette : il n’existe pas d’isolant parfait. Ainsi, l’eau est mauvaise
conductrice comparée au cuivre mais bonne conductrice comparée au téflon.
Les deux sortes d’électricité
À la force électrique
exercée par la partie frottée d’un matériau plutôt isolant sur un corps léger
est associée une caractéristique de la matière appelée charge électrique.
Existe-t-il plusieurs sortes de charges électriques ?
Expériences possibles
1. Sur les deux rails
isolants, placer un chalumeau – ou paille – A préalablement frotté avec un
tissu, préférentiellement de laine ou de coton. Frotter avec le même tissu une
seconde paille et placer cette seconde paille B sur les rails. En la poussant
avec l’ongle de manière à la maintenir parallèle à la première, chercher à la
rapprocher et observer (figure 2).
2. Replacer la première
paille après l’avoir rechargée par frottement avec le tissu précédent et
recommencer la même expérience qu’en 1 avec une très fine tige de verre
préalablement chargée par frottement avec un tissu de coton sec (attention à ne
pas vous blesser en frottant la tige de verre). Approcher lentement et observer
(figure 3).
3. Reprendre l’expérience
du 1 avec deux tiges de verre frottées de la même manière. Les deux tiges
s’attirent-elles ou se repoussent-elles ?
Questions possibles
• Lorsque l’on approche la
paille B de la paille A, pour une certaine distance la paille A est repoussée.
L’approche de B vers A se fait-elle sans résistance ? Comment qualifie-t-on les
actions de B sur A et de A sur B ?
• Dans la deuxième
expérience, la charge électrique portée par la tige de verre diffère-t-elle de
celle portée par la paille ? Préciser l’état électrique des corps en
interaction lorsqu’ils s’attirent et lorsqu’ils se repoussent. Quelles sont les
deux “ sortes ” d’électricité ? Dans quel cas y a-t-il attraction ?
répulsion ?
• Lorsque l’on frotte une
tige de verre avec un tissu, il apparaît une charge sur la partie frottée du
verre. Apparaît-il une charge sur la partie frottée du tissu ? Quelle est son
signe ? Reste-t-elle localisée sur la partie frottée du tissu ? Y a-t-il eu
création ou transfert de charges ? Quel principe de physique doit être respecté
?
Commentaires
Charles Dufay (1698-1739),
botaniste français, nota le premier, vers 1733, l’existence de deux “
électricités ” : l’une obtenue en frottant du verre, l’autre obtenue en
frottant des corps résineux. Quelques années après, Benjamin Franklin
(1706-1790) les appela électricités positive et négative, choisissant
arbitrairement d’appeler positive l’électricité portée par une tige de verre
frottée avec un morceau de soie [1].
Dans le langage actuel,
nous retiendrons que “ deux charges de même signe se repoussent et
deux charges de signes contraires s’attirent ”.
Benjamin Franklin
interpréta le phénomène d’électrisation à partir du principe de
conservation de la charge électrique,
précédemment mis en évidence par William Watson, physicien anglais. La charge
totale (somme algébrique des charges positives et négatives) dans un système
isolé est constante.
Mis en contact, deux corps
frottés se chargent d’électricité de signe contraire. Les électrons des couches
externes des atomes étant les charges les moins liées, il y a transfert
d’électrons d’une substance vers l’autre, les parties frottées se chargeant
d’électricité de signe contraire.
Influence de la distance et de la
charge sur la force électrique
Entre deux corps chargés,
il existe une interaction électrique caractérisée par la force s’exerçant sur
chacun des deux corps. De quels paramètres dépend cette force ?
Expériences possibles
Les expériences précédentes
permettent de préciser les paramètres dont dépend la force électrique, au vu
des conclusions précédentes. Si nécessaire, on peut reprendre une expérience à
l’aide du dispositif des pailles.
Questions possibles
• Comment les observations
précédentes permettent-elles de préciser si l’intensité de la force électrique
augmente ou diminue lorsque la charge électrique augmente ?
• Quelle est l’influence de
la distance sur la force électrique ?
• Ces observations
sont-elles compatibles avec la loi de Coulomb ?
• Connaissez-vous un autre
exemple d’interaction à distance ?
Commentaires
Dès 1760, Bernouilli vérifie
la compatibilité avec une loi de force en 1/r2. Ami de Benjamin
Franklin, Joseph Priestley (1733-1804), connu pour sa découverte de l’oxygène,
a l’intuition que la dépendance spatiale de la force entre deux charges est en
1/r2. Cependant, c’est Charles Coulomb (1736-1806) qui, à l’aide
d’une balance de torsion, dispositif expérimental utilisant un fil de torsion
et permettant de mesurer des forces faibles, détermina l’expression de la loi
de force aujourd’hui appelée loi de Coulomb (1785). Le dispositif de la balance
de Coulomb, repris par Cavendish (1731-1810), allait permettre la détermination
de la constante universelle de gravitation. En effet, l’expression mathématique
de la force électrique est formellement identique à l’expression de la force de
gravitation de Newton (1642-1727) qui s’exerce entre deux masses ponctuelles et
varie comme elle en 1/r2.
Remarques complémentaires
Interprétation de la
première expérience : attraction d’un corps chargé sur un corps léger
L’attraction de la paille
non chargée par une autre paille frottée ou par la baguette de verre frottée
n’est pas simple à expliquer. En effet, la paille non frottée est
électriquement neutre : elle n’est pas chargée. Toutefois, constituée d’atomes,
elle possède des charges négatives et positives en quantités égales. Lorsqu’on
approche un corps chargé, la position de certaines charges à l’intérieur de la
paille est légèrement modifiée (phénomène d’influence avec
déplacement des charges dans un conducteur
ou polarisation dans un isolant).
Par exemple, si on approche de la paille une règle en plastique chargée
négativement par frottement avec un morceau de drap pur coton, des charges
positives sont attirées tandis que des charges négatives sont repoussées. Les
charges positives sont alors plus proches de la règle que les charges
négatives. Comme l’intensité de la force électrique décroît avec la distance,
les charges négatives de la règle sont plus proches des charges positives de la
paille que de ses charges négatives : l’attraction l’emporte.
Ce raisonnement peut être
reproduit dans le cas de l’approche d’une baguette de verre chargée
positivement par frottement avec de la laine. Cette fois, les charges positives
de la baguette de verre sont plus proches des charges négatives de la paille et
l’attraction l’emporte encore. Dans tous les cas, l’action d’un corps
chargé sur un autre corps est une attraction.
Déviation d’un mince filet d’eau par
une paille chargée
Cette expérience facile à
réaliser peut être l’occasion de réinvestir les connaissances acquises pour
interpréter le phénomène observé.
Expériences possibles
Approcher une paille
frottée au voisinage d’un filet d’eau et observer.
Chercher la position
optimale pour obtenir une bonne déviation.
Recommencer avec une tige
de verre frottée. Observer.
Questions possibles
• Le sens de la déviation
dépend-il du signe de la charge portée par le corps chargé ?
• Sachant que, dans une
molécule d’eau, le barycentre des charges positives n’est pas confondu avec le
barycentre des charges négatives, les observations sont-elles conformes à la
loi de Coulomb ?
Commentaires
Supposons que l’on approche
du jet un chalumeau chargé négativement. À son voisinage, les molécules d’eau
du jet s’orientent de telle manière que le barycentre des charges positives
soit plus proche que le barycentre des charges négatives.
Conformément à la loi de
Coulomb, la résultante des forces d’attraction entre les charges négatives de
la paille et le centre des charges positives des molécules d’eau est plus
intense que la résultante des forces de répulsion entre les charges négatives
de la paille et le centre des charges négatives des molécules d’eau.
Compétences du
programme mises en œuvre
Compétences
expérimentales et manipulatoires
– Formuler une hypothèse
sur un événement susceptible de se produire.
– Formuler une hypothèse
sur un paramètre pouvant jouer un rôle dans un phénomène.
– Proposer une expérience
susceptible de valider ou d’invalider une hypothèse.
– Analyser des résultats
expérimentaux.
– Faire le schéma d’une
expérience.
Compétences transversales
– Décrire une expérience,
un phénomène.
– Utiliser le vocabulaire
scientifique.
– Rédiger une
argumentation.
– Analyser des résultats
expérimentaux.
Pour en savoir plus...
– Borvon Gérard, “ De Dufay à Ampère. Des
deux espèces d’électricité aux deux sens du courant électrique ”, Bulletin
de l’Union des physiciens, n° 760, janvier
1994, p. 27-60.
– Thévenot André, Luque Manuel et Rusterholtz
Michel, “ Vérification expérimentale de la loi de Coulomb ”, Bulletin
de l’Union des physiciens, n° 782, mars
1996, p. 567-570.
– Collectif, Le
Trésor. Dictionnaire des sciences,
Flammarion, 1997. Mise en ligne, avril 1998.
– Verbist Yvonne, Bribosia Alain, Nachtergaele
Luc, Vanderperren Michel, Villiers Paul, Physique, cinquième
option complémentaire,
Éditions De Boeck, Bruxelles, 1992 (la classe de cinquième en Belgique
correspond à la classe de première en France).
– Hecht Eugène, Physique, ITP De
Boeck Université, Paris-Bruxelles, 1999, p. 643-684.
Internet
www.inrp.fr/lamap/scientifique/electricite/essayez/accueil.html
www.sciences-en-ligne.com/Frames_dictionary.asp
www.palais-decouverte.fr/discip/physique/phyestat.htm