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Unité facultative

(18d)     Travail contre une force électrique : Le générateur de de Graaff

    Dans les manuels ,la plupart des exemples sur le travail se réfèrent à la pesanteur -- comme par exemple la section précédente # 18. Si vous soulevez une brique du sol à une table, vous effectuez un travail et gagnez de l'énergie potentielle. En retour cette énergie peut être reconvertie en travail pour soulever une brique différente.

    Mais la nature se réserve également d'autres forces, telles que la force électrique.

La Force Electrique

    La matière habituelle se compose d' electrons négatifs et de noyaux atomiques positifs, dont les polarités électriques s'attirent . C'est ce qui maintient les atomes ! Il y a une quantité égale de charges électriques positives et négatives dans la matière habituelle.

    Cependant, le frottement d'un morceau de verre sur un tissu sec de laine , enlevant des électrons , le laisse positif, tandis que les électrons sont captés par le tissu, dont la charge électrique devient négative. D'autres matériaux (comme l'ambre) attirent des électrons du tissu et deviennent négatifs une fois frottés. Les objets à charge positive attirent ceux qui ont une charge négative, mais deux objets, positivement ou négativement chargés, se repoussent .

    On peut détacher de cette façon des électrons de la matière, mais le processus a ses limites. Supposons que des électrons supplémentaires soient déposés sur un objet : celui ci se charge négativement, et repousse dès lors fortement tous les électrons supplémentaires : Une nouvelle addition de charge devient impossible Mathématiquement ,on peut parler d' une "pression électrique" négative (également connue sous le nom de "voltage" négatif, puisqu'elle est mesurée en unités appelées volts) repoussant toutes autres charge négative. Si cette tension devient trop importante, des électrons peuvent être repoussés au loin, en étincelle. Un effet symétrique existe avec les charges positives, qui peuvent attirer de force les électrons du matériel environnant. C'est le cas de la foudre, quand les charges électriques se séparent dans un nuage noir (voir ci-dessous) et créent des tensions élevées.

    En général, les pointes créent des étincelles même aux basses tensions, alors que les grandes sphères lisses y résistent. Il faut noter de plus que la force répulsive (ou attirante) n'existe qu' en dehors de la sphère : on ne peut observer aucune force ou tension électrique à l'intérieur d'une enceinte close. Il vous plaira de savoir que si une carlingue d'avion, en aluminium et fermée, est heurtée par la foudre, vous êtes protégé contre tous les effets électriques.

L'Invention de Van de Graaff

    A Princeton, en 1929, Robert Van de Graaff a inventé un procédé nouveau pour charger une sphère creuse à des tensions élevées. Il l'a montée sur une haute colonne isolée de l'intérieur et parcourue par une bande en caoutchouc tournant entre deux poulies - une à l' intérieur de la sphère, l'autre (entraînée par un moteur) à la base de la colonne. En outre, une source de tension négative est placée dans la base, reliée à une série de pointes, " arrosant " la charge électrique négative de la bande. On pourrait aussi pulvériser une charge électrique positive -- mais ici il est commode de parler des électrons. L'autre côté de la source de tension est mis à la terre, de sorte que lorsque que les électrons sont pulvérisés au loin, aucun autres ne viennent les remplacer, et qu' il n' y a aucune charge positive excessive.

    Puisque le caoutchouc n'est pas conducteur d'électricité (c'est-à-dire, ne permet pas aux charges électriques de se déplacer d'un point à l'autre, comme dans le métal ), la ceinture transporte ses charges à l'intérieur de la sphère, ou une autre série de pointes , placées près de la ceinture, les recueille . Des fils relient ces pointes à la sphère, et ainsi la charge est répartie partout.

    Progressivement, la sphère devient de plus en plus négative. Cela n'empêche pas l'apport des électrons à l'intérieur du creux intérieur, mais la différence de tension par rapport à l' extérieur peut monter cependant à quelques millions de volts. Quand la tension devient assez élevée, une étincelle comparable à la foudre atteint la terre ou à une cible métallique adéquate. Des machines de ce type sont exposées au musée de Boston de la Science et fournissent aux visiteurs des démonstrations impressionnantes

Energie et travail effectués

    Quand que les sphères se chargent vers le haut, elles accumulent de l'énergie électrique. D'où vient cette énergie? Simple. Nous avons dit que même lorsque la sphère est chargée jusqu'à des millions de volts, les forces électriques sont absentesà l'intérieur , et il n' y a aucune difficulté à récupérer les charges apportée par la ceinture. Mais à l'extérieur de la sphère, ces forces existent ! Pour charger des charges électriques négatives sur la bande, il faut surmonter la force répulsive F de celles qui y sont déjà... et donc effectuer un travail ! Le moteur qui doit surmonter cette répulsion, est donc la source d'énergie. Un étudiant tournant la poulie inférieure avec une manivelle pourrait également fournir l'énergie, mais devrait être dehors à cause des étincelles !

Foudre

(Je remercie le prof. Martin Uman de l'université de Gainesville en Floride, qui a revu la version initiale de cette section).

    Un processus semblable serait-il être responsable des tensions élevées qui causent la foudre dans les orages ?

    Un nuage d'orage est essentiellement un violent écoulement ascendant d'air humide. L'air se dilate en s'élevant donc se refroidit, mais il est très, trop, froid aux niveaux les plus élevés. Un écoulement continue, ou non, à monter en fonction de la température de l'air ambiant. L'ascension de l' air dans un orage lui fait abandonner son humidité ,sous forme de pluie, (un air refroidi contient moins d'eau) et ce processus, on peut le démontrer, apporte de la chaleur supplémentaire. L 'air reste donc plus chaud que son environnement, et continue à monter. Le résultat est un double mouvement : un vent souffle vers le haut, pendant que la pluie qui en est issue tombe vers la terre.

    Quelques gouttes de pluie sont soufflées vers le haut par le vent, et à des niveaux plus élevés, gèlent ; et ceci aide aussi à sauvegarder le réchauffement de l'air. (les cultivateurs d'oranges en Floride arrosent quand les températures tombent au-dessous de zéro : l'eau gèle et tombe à terre, alors que les orangers sont maintenus plus au chaud.) Finalement, les gouttes gelées peuvent également tomber sous forme de grêle, généralement associée aux orages. Les gros grêlons , d'abord d' une taille raisonnable, recueillent de plus en plus d'eau en tombant, mais sont de nouveau soufflés vers le haut. La congélation est importante, si bien que les observations montrent que l'électricité des orages est engendrée non pas par l'eau liquide, mais par la glace.

    Les fragments de glace créés dans le nuage parviennent à diverses tailles : tandis que les plus gros tendent à tomber vers le bas et se heurtent aux plus petits, qui sont généralement soufflés ascendants. Les collisions en arrive à séparer les charges (un peu comme pour l'électricité par friction) : les petits grêlons, en groupe, tendent à perdre des électrons et à devenir positifs, et comme toute charge électrique tend à s' équilibrer, ces électrons perdus apportent une charge négative aux plus grandes particules de glace. L'importance de cet effet dépend fortement de la température -et c' est même quelquefois des charges de signe inverse qui sont transférées, pour certaines températures --ceci amène des conditions supplémentaires à la production de la foudre.

    Puisque les deux types de fragments de glace acquièrent des charges électriques opposées, ils s'attirent, mais la pesanteur abaisse les plus grands, alors que le vent souffle de plus en plus haut les petits en paquets, et, ces deux actions effectuent un travail contre l'attraction électrique en séparant les deux types d'électricité.   C' est donc un peu semblable à la machine de Robert Van de Graaff , sauf que pour celle ci, la courroie surmonte une répulsion électrique, alors qu'ici, les forces conjuguées du vent et de la pesanteur luttent contre une attraction. Il reste qu'un travail est un travail, et que ce processus augmente l'énergie stockée dans le système par le haut du nuage, où les petits groupes finissent par arriver, chargés d' une tension positive élevée. L'air ne peut alors plus contenir la charge électrique croissante, et... FLASH ! BOOOOM !


Appendice

    La charge électrique distribuée de cette manière à partir d'une source de haute tension sur la courroie de la machine de De Graaff est également au cœur du copieur xérographique ou de la" photocopieuse." Le préfixe "Xéro-" vient du mot grec pour "sec," qui implique un processus d'impression utilisant le séchage de l encre.

    Dans ces copieurs, la charge électrique est envoyée sur un cylindre tournant complètement isolé, qui devient conducteur là où de légers éclats lumineux blancs ou bleus l'atteigne. Une fois le rouleau en fonction, l'image de la page à copier y est projetée et toutes les parties blanches de l'image , devenues électriquement conductrices, se déchargent, alors que les images des lettres noires restent chargées. Avec la rotation ultérieure du rouleau, une poudre très fine de carbone ("encre sèche", contenant obligatoirement aussi une peu de colle) est attirée par la charge électrique et adhère au rouleau. Cette "encre" est ensuite transférée à la page de papier, sur laquelle elle se colle grâce à la chaleur. Les imprimantes laser fonctionnent sur des principes semblables.

Transparents

    Outre copier du texte et des images sur des feuilles de papier, le copieur xérographique peut également tirer des copies sur des transparents en acétate ou autre matière plastique, à l'usage des rétroprojecteurs. S'il vous est arrivé de tirer de nombreux transparents multiples et de les empiler, vous avez probablement constaté que leur charge électrique les fait adherer ensemble , assez fortement.

    Vous pouvez naturellement séparer une à une ces feuilles, mais leur électrification n'est pas enlevée. En fait, cela semble pire qu'avant ! En séparant les feuilles, vous avez effectué un travail contre la force électrique, et cela a augmenté la tension de la charge électrique, comme la glace dans les nuages noirs et comme dans le générateur de De Graaff. Un effet semblable se produit quand vous enlevez d'un sèche linge des vêtements en fibres synthétiques, qui se chargent par frottement. En les tirant un à un vous effectuez un travail et augmentez leur tension, jusqu'à obtenir des étincelles et même de petites décharges électriques. Un dispositif électrostatique existe depuis longtemps pour les tensions statiques ainsi produites -- l'"electrophorus" inventé en 1782 par Alexandre Volta, celui qui plus tard a conçu la première batterie électrique ("pile voltaïque") et dont le nom est honoré dans le volt, ,unité servant à mesurer la "tension.", dite généralement "voltage" .

    A propos de l'accrochage des transparents : Pour plus de sûreté, n'empilez pas les feuilles quand elles sortent du copieur. Posez les individuellement (sur une table en métal, une étagère ou mieux une étagère) et laissez-les se refroidir. Quand vous les empilerez ensuite, vous pouvez les séparer par des feuilles de papier.


En savoir plus

    Un emplacement décrivant les machines de De Graff au musée de la Science de Boston. . Construites par Robert Van de Graaff, devenu professeur au MIT, elles ont étés ensuite données au musée. Leur histoire, illustrée par des photographies uniques, est trouvée Ici alors que la vie du prof. Van de Graaff est décrite Ici . Une photographie spectaculaire du générateur de Boston en marche est parue dans "National Geographic" magazine, numéro de Octobre 2001, page 10.

    Un emplacement au sujet de l' électricité et la foudre .

    La page de Van de Graaff par le le club "http://www.amasci.com/emotor/vdg.html de la Science d'électricité statique des amateurs de Science. ( "Science Hobbyist Static Electricity Science Club")  http://www.amasci.com/emotor/vdg.html.

    Strictement pour des experts ayant l'accès à une bibliothèque scientifique : Pour un tour d' horizon sur le comportement étendu et compliqué des gouttelettes d'eau et des fragments de glace dans un nuage, consultez "The Physics of Clouds" by Basil J. Mason, xvi + 671 pp, 2nd edition Oxford 1971.

... Et, soit dit en passant : On a honoré Van de Graaff en donnant son nom à un des cratères du côté éloigné de la lune.. Plus tard les missions Apollo 15 et 16 (1971-2) ont constaté que la croûte de la lune est magnétisée, dans les échantillons rapportés - et cela a été trouvé plus tard pour Mars, bien que le champ magnétique de la lune soit beaucoup plus faible. Une des pièces rapportées, très intensément magnétisée a été trouvée près du cratère de de Graaff .

      Dans le film "2001 - l'Odyssée de l'Espace" une pièce rapportée de la lune, magnétisée, est l'indice d'un monolithe noir enterré par quelques précédents explorateurs venus d'ailleurs. Et devinez ce que l'on peut trouver près de celui-ci ?


Prochaine étape: #19 Le Mouvement Circulaire

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      Auteur et responsable :   Dr. David P. Stern
     Mail au Dr.Stern:   stargaze("at" symbol)phy6.org

Traduction française: Guy Batteur guybatteur(arobase )wanadoo.fr


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Dernière mise à jour : 12.13.2001