Ballon électrostatique

De Wikidebrouillard.

Sommaire 1 Matériel 2 L'expérience 3 Explication 3.1 Résumons 3.2 Poussons un peu plus loin 4 Concepts scientifiques associés 5 Application : Lien avec le quotidien 6 Liens avec d'autres expériences 7 Comment l'animer ? 8 Liens avec des programmes d'animation

Matériel

• 1 paire de ciseaux
• 1 ballon de baudruche
• 1 feuille de papier
• des cheveux

L'expérience

Découper avec les ciseaux des petits bouts de papier. Gonfler le ballon de baudruche et faire un nœud pour le fermer. Frotter une partie du ballon sur des cheveux. Approcher le ballon des bouts de papier. Que se passe-t-il ? Les bouts de papier se collent à la partie du ballon qui a été frottée.

Explication

Résumons

En frottant le ballon avec les cheveux, on le charge en électricité statique. Lorsqu’on l’approche des bouts de papier, ceux-ci se chargent légèrement et il se créé une force dite électrostatique. Les deux objets s’attirent comme des aimants.

Poussons un peu plus loin

Coulomb, physicien français (1736 – 1806), a démontré que la présence de deux corps chargés provoque l’apparition de forces attractives ou répulsives selon le signe de leurs charges q. Cette force F est inversement proportionnelle à la distance r qui les sépare au carré :

Fichier:Ballonélectro formule1.jpg

Sur la figure suivante, on peut se rendre compte que la force d’attraction diminue rapidement avec l’éloignement. Plus l’éloignement est important plus il faudra arracher d’électrons pour pouvoir soulever un bout de papier.

Fichier:Ballonélectro graph1.jpg

L’attraction exercée par un proton sur un électron éloigné de 5 mm dans les conditions idéales est de :

F = 9,2.10-24 N

Si on veut soulever un bout de papier de 10 mg avec ce procédé, soit vaincre un poids de 0,098 N, il faudra donc arracher environ 10 700 000 000 000 000 000 000 électrons du ballon !

Le passage répété du tissu en laine sur le ballon de baudruche va arracher des électrons aux atomes situés à la surface de celui-ci. Les électrons étant des charges négatives, cet endroit du ballon est chargé positivement. Le tissu ayant perdu des électrons est alors chargé positivement à sa surface.

En revanche, le papier n’est pas chargé. Il est dit électriquement neutre.

Pourquoi le papier est attiré par le ballon frotté ?

En effet, la force dont parle Coulomb ne s’applique que pour deux objets chargés. Or ce n’est pas le cas ici car le papier est resté électriquement neutre.

En fait, le fait d’approcher une source de charge positive de la feuille va avoir tendance à l’ioniser. C’est-à-dire qu’il va y avoir d’infimes migrations de charges des atomes (les électrons essentiellement) vers la face opposée au ballon. La feuille se retrouve alors avec une face plus électronégative que l’autre et est attirée par le ballon.

Fichier:Ballonélectro pct1.jpg

Pourquoi seuls les électrons sont arrachés ?

Pour bien visualiser le problème, prenons l’exemple de l’atome d’hydrogène. Il est constitué d’un noyau et d’un électron qui gravite autour (dans le cas général un atome, à l’état stable, possède autant de proton que d’électron). Pour simplifier la représentation nous représentons l’orbite de l’électron comme circulaire.

Fichier:Ballonélectro pct2.jpg

L’électron est assez éloigné du noyau. Les forces, qui l’empêchent de sortir de son orbite, diminuent avec sa distance au noyau. De plus, il existe une autre force appelée interaction forte qui assure la cohésion du noyau. En effet, le noyau d’un atome est composé de particules neutres et positives. Les particules positives se repoussent entre-elles d’après la loi de Coulomb. C’est cette interaction forte qui empêche les protons de s’éloigner. Donc le noyau est très difficile à « casser ». En revanche, l’électron n’oppose presque pas de résistance. Et le simple passage du tissu de laine permet de l’extraire de son atome.

Fichier:Ballonélectro pct3.jpg

En réalité, seuls les électrons de la couche externe, c’est-à-dire les plus éloignés du noyau, peuvent être « arrachés » (les atomes répartissent les électrons sur différentes couches). On dit alors que l’on a ionisé l’atome.

Fichier:Ballonélectro pct4.jpg

Concepts scientifiques associés

• Electrostatique
• Ionisation
• Atome

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Application : Lien avec le quotidien

• Sensation de picotement au moment de retirer un pull en laine.

Liens avec d'autres expériences

Comment l'animer ?

Liens avec des programmes d'animation

Comme par exemple "Debout les terriens", "foot'sciences", "6TdB", ...

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