Interpréter des expériences d'électrostatique - Maxicours

Interpréter des expériences d'électrostatique

Objectifs
  • Connaitre l’interaction électrostatique.
  • Faire le lien entre les signes des charges électriques des objets en interaction et la répulsion/attraction électrostatique.
  • Donner l’interprétation des résultats des expériences d’électrostatique réalisées en utilisant la notion d’interaction électrostatique.
Points clés
  • Il existe diverses expériences qui permettent d’illustrer le phénomène d’électrisation : règle électrisée, pendule électrostatique, etc.
  • Des électrons passent d’un matériau à l’autre par frottement entre deux matériaux de nature différente, et initialement non chargés, ce qui crée leur électrisation.
  • L’électrisation par influence consiste à approcher un matériau électrisé d’un autre, mais sans contact. Les charges à l’intérieur du matériau approché s’orientent et/ou se déplacent.
    Il y a attraction entre les charges électriques différentes (+ et ) et répulsion entres les charges de même signe (+ et +, ou  et ), par interaction électrostatique.
  • L’électrisation par contact consiste en un transfert de charges électriques (migration d’électrons) lorsqu’un matériau électrisé est en contact avec un autre qui ne l’est pas. Par contact, le matériau initialement non électrisé le devient.
Pour bien comprendre
  • Charge d'un électron
  • Force
1. L'interaction électrostatique

Deux particules possédant chacune une charge électrique exercent l’une sur l’autre des forces dites électrostatiques. L’origine de ces forces vient des charges portées.

En fonction des signes respectifs de chaque charge, ces forces sont soit attractives, soit répulsives.

Si les charges sont de signes opposés, l’interaction électrostatique est attractive.

Interaction électrostatique attractive entre deux particules
Si les charges sont de même signe, l’interaction électrostatique est répulsive.

Interaction électrostatique répulsive entre deux particules
Remarque
Cette interaction a également lieu pour des objets macroscopiques (à notre échelle) si ceux-ci portent une charge électrique non nulle.
2. Expérience -- Électrisation d'un objet

Dans la matière à l’état solide, seuls les électrons ont la possibilité de se déplacer ou alors d’être transférés. Électriser un objet consiste à lui donner une charge électrique par un transfert d’électrons.

a. Expérience d'électrisation

On frotte une tige en verre avec un tissu en laine. On approche la tige de petits morceaux de papier. Ces derniers sont alors attirés par la tige.


Interaction électrostatique entre le verre et le papier
b. Interprétation

En frottant la tige en verre, des électrons (de charge négative) ont été transférés du verre vers la laine. Le verre se retrouve alors chargé positivement. En approchant la tige près des morceaux de papier, des charges négatives vont migrer dans ces papiers pour se placer face aux charges positives de la tige de verre.

Les papiers sont attirés par attraction électrostatique. Comme ils sont neutres électriquement, leur extrémité opposée sera chargée positivement.

On dit que les papiers ont subi une électrisation par influence.

c. Pour aller plus loin : la triboélectricité

C’est un phénomène électrostatique qui a lieu lors de la mise en contact de deux matériaux différents : on observe un transfert d’électrons entre les surfaces mises en contact. Ce transfert peut être amplifié par frottement des deux objets l’un contre l’autre.

L’électrisation de la tige de verre est expliquée par la triboélectricité.

La série triboélectrique est un tableau qui permet de prévoir les transferts d’électrons entre deux matériaux. Si on frotte ensemble deux matériaux se trouvant dans le tableau, celui qui sera le plus haut des deux dans la liste sera électrisé positivement, et celui en dessous, négativement.


Série triboélectrique
3. Expérience -- Le pendule électrostatique
a. Expérience

On frotte une règle en PVC (matière plastique) avec une fourrure de chat. La règle est ensuite approchée d’un pendule électrostatique.

Celui-ci est constitué d’une boule en métal suspendue par un fil non conducteur électriquement.

La boule, initialement à la verticale, se déplace alors vers la règle. Dès qu’il y a contact, la boule repart à l’opposé.

b. Interprétation

En frottant la règle avec la fourrure de chat, elle est électrisée négativement.

Quand on approche la règle de la boule, l’interprétation est la même que pour l’expérience précédente : il y a attraction électrostatique due à une électrisation par influence de la boule.


Interaction électrostatique entre la boule et la règle

Quand il y a contact, certains des électrons surnuméraires (qui sont en trop) de la règle passent dans la boule. Celle-ci était globalement neutre avant la mise en contact. Du fait des électrons, elle devient négative. Il s’agit d’une électrisation par contact.


Électrisation par contact de la boule

Comme il reste des électrons excédentaires dans la règle, qui est donc toujours chargée négativement, il y a répulsion électrostatique avec la boule qui a été chargée négativement.


Répulsion électrostatique entre la règle et la boule

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