- enseignement Catholique

HPT
Formation scientifique
UAA5
AUTEUR : Philippe Godts
Fiche d’expérience 1bis
Electrisation et circuit électrique
Objectifs d’apprentissage
Comprendre le rôle du générateur et celui du récepteur à partir de l’observation du fonctionnement
d’une machine électrostatique mise en circuit avec un récepteur. Relier la notion de tension à une
transformation d’énergie, et la notion de courant à une quantité de charges.
Consignes de sécurité
Plusieurs expériences décrites ci-dessous utilisent une machine électrostatique. Il peut s’agir d’un
générateur à ruban (Van de Graaff), d’une machine de Whimshurst ou d’une machine électrostatique
à rouleau1. L’intérêt de ces machines est de produire une électrisation de manière continuelle dès
qu’elles sont actionnées. Comme les machines électrostatiques produisent de la haute tension (mais
des courants minimes), on sera attentif à quelques consignes pour que l’expérience reste agréable :

Ne mettre la machine en fonction que quand le montage expérimental est prêt et les élèves
ont été avertis de leur rôle (observateur à une distance suffisante, ou participant avec une
tâche précise). Eloigner tous les appareils électroniques sensibles (PC…).

Pour limiter les quantités de charges disponibles (et l’intensité du courant lors des décharges),
ne pas brancher de condensateur sur la machine2.

Pour limiter la tension, relier les deux bornes à deux objets conducteurs (sphériques ou non)
proches l’un de l’autre3. Une longueur d’étincelle de 1 cm suffit pour la plupart des
expériences.

Toujours avoir à portée de main un cordon conducteur relié à la masse de la machine et
permettant de la décharger à la fin de l’expérience 4.

Les décharges passant par le corps humain sont surtout désagréables quand on touche un
des contacts (ou en s’en approche trop) et que la machine est en pleine charge. Les parties
du corps les plus sensibles sont celles qui ont de nombreuses terminaisons nerveuses (les
extrémités des doigts, les lèvres…). Par contre, d’autres parties du corps (le poignet, le
coude, le nez…) sont moins sensibles. Notons toutefois que l’utilisation de ces machines est
déconseillée aux personnes portant un pacemaker.
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On peut aussi éventuellement utiliser un générateur piezoélectrique (allume-gaz), mais la tension est plus difficilement
réglable. Nous déconseillons l’utilisation d’alimentations ou transformateurs haute-tension, ainsi que les bobines de Rhumkorff.
Dans le cas d’une machine de Whimshurst, relever les deux tiges établissant les contacts avec les condensateurs (bouteilles
de Leyde). Si l’étincelle n’est pas assez visible, ces deux tiges pourront toutefois être abaissées une fois l’expérience bien
maîtrisée.
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En moyenne, il faut une tension d’environ 1 kV (= 1000 V) par mm d’étincelle dans l’air. Si on limite la longueur de l’étincelle à
1 cm, la tension ne dépassera pas environ 10 kV. Plus l’air est humide, moins l’étincelle est longue pour une même tension.
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Dans le cas d’une machine de Whimshurst, il suffit de mettre les deux éclateurs en contact l’un avec l’autre.
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Si l’air est humide (météo pluvieuse, grand groupe d’élèves dans un local peu ventilé…), il faudra
peut-être préalablement sécher l’air environnant à l’aide d’un appareil de chauffage électrique ou d’un
sèche-cheveux.
A. Expérience préliminaire
Matériel suggéré
Tube de PVC5, matériau pour électriser par frottement (tissus, papier essuie-tout, fourrure
synthétique,…), machine électrostatique, ampoule néon à décharge6.
Procédure
Cette expérience doit se réaliser dans un local assombri (pas d’obscurité complète !).
Electriser le tube par frottement, puis en approcher une extrémité de l’ampoule à décharge en tenant
l’autre extrémité des doigts. Recommencer plusieurs fois l’expérience.
Identifier les transformations d’énergie se produisant dans les différentes étapes de l’expérience (de
l’énergie mécanique se transforme en énergie électrique lors du frottement, et de l’énergie électrique
se transforme en énergie lumineuse lors de la décharge).
Mettre une des extrémités de l’ampoule à décharge au contact d’une borne active de la machine
électrique tout en tenant l’autre extrémité des doigts 7. Puis, actionner d’abord doucement, puis plus
fortement, la machine électrostatique tout en maintenant le contact avec l’ampoule (l’ampoule s’éclaire
continuellement). N’éloigner l’ampoule qu’après avoir arrêté la machine.
B. Mise en évidence de la notion de tension à l’aide d’une machine électrostatique
Matériel suggéré
Machine électrostatique, deux cordons conducteurs, sphère conductrice montée sur un support
isolant8, tube de PVC.
Procédure
Cette expérience doit se réaliser dans un local assombri (pas d’obscurité complète !).
Relier une des deux bornes de la machine électrostatique avec la sphère conductrice au moyen d’un
cordon conducteur. Relier l’extrémité du deuxième cordon conducteur à l’autre borne de la machine
électrostatique, et tenir l’autre extrémité du cordon par l’isolant. Mettre cette extrémité en contact avec
la sphère conductrice. Actionner la machine électrostatique, puis éloigner légèrement l’extrémité du
cordon tenu en main (des étincelles se produisent continuellement et un crépitement se fait entendre).
Eloigner un peu plus l’extrémité du cordon de la sphère (les étincelles se produisent moins
fréquemment, mais sont un peu plus fortes). Arrêter la machine et remettre l’extrémité du cordon en
contact avec la sphère pour la décharger.
Variante
Constituer un moteur électrostatique en disposant trois baguettes (piques à brochettes) sur des
boulettes de plasticine de telle manière qu’elles soient verticales, la pointe vers le haut. Placer un
gobelet plastique retourné à l’équilibre sur une pointe. Découper deux carrés d’aluminium et les
attacher aux deux autres baguettes au moyen des pinces à linge, de telle manière que leurs
extrémités frottent sur deux côtés opposés du gobelet. Raccorder les deux bornes de la machine
électrostatique aux deux feuilles d’aluminium.
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Les tubes de PVC peuvent être remplacés par de longues pailles rigides et sans coude.
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Commercialisée par la plupart des fournisseurs allemands sous le nom de « Glimmlampe (Soffite) ». On peut nettement
identifier la zone lumineuse, qui dépend du signe de la charge, si on dispose d’un grand modèle d’ampoule.
Lors de cette expérience, un courant électrique traverse continuellement le corps de l’expérimentateur. Mais celui-ci ne
ressent pratiquement rien puisqu’il décharge la machine au fur et à mesure qu’elle se charge : la machine n’est donc jamais
vraiment chargée. On peut toutefois aussi relier une extrémité de l’ampoule à l’autre borne de la machine électrostatique.
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Inutile dans le cas de la machine de Whimshurst : elle dispose de ses propres éclateurs.
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Note pour le professeur
Ces expériences permettent aux élèves de ressentir la notion de tension, qui correspond à une
quantité d’énergie disponible par unité de charge électrique. Dans l’expérience de l’étincelle, plus elle
est longue, plus les charges électrique ont besoin d’une quantité importante d’énergie pour traverser
l’air qui est isolant, et plus la tension est grande.
C. Mise en évidence de la notion de courant à l’aide d’une machine électrostatique
Matériel suggéré
Machine électrostatique, deux cordons conducteurs, sphères conductrices montées sur un support
isolant9, balle de ping-pong recouverte de graphite et suspendue à une haute potence par
l’intermédiaire d’un fil à coudre d’environ un mètre de long 10.
Procédure
Relier les deux bornes de la machine électrostatique avec les sphères conductrices, séparées
d’environ 10 cm l’une de l’autre, au moyen des cordons conducteurs. Suspendre la balle de pingpong de telle manière qu’elle se trouve à mi-distance entre les deux sphères. Actionner la machine
électrostatique : la balle de ping-pong effectue des va-et-vient entre les deux sphères11, et ce d’autant
plus rapidement qu’on actionne rapidement la machine. Arrêter la machine et mettre les deux sphères
en contact l’une avec l’autre pour les décharger.
Variante
Placer deux élèves debout à environ un mètre
l’un de l’autre, sur une surface assez isolante
(un tabouret en bois, quelques catalogues, une
plaque de polystyrène…). Demander à chaque
élève de tenir de la main l’extrémité d’un
cordon conducteur dont l’autre extrémité est
reliée à chaque borne d’une machine
électrostatique. Donner en outre à un des deux
élèves un kit à bulles de savons. Mettre la
machine électrostatique en fonction et
demander à l’élève qui tient le kit à bulles de
savons de souffler doucement des bulles
devant lui (pas directement vers l’autre élève) :
l’autre élève attire les bulles de savon !
Arrêter la machine électrostatique, et inviter les élèves à lâcher les cordons, puis à faire quelques pas
dans la classe sans rien toucher des mains pour se décharger complètement.
Note pour le professeur
Ces expériences permettent de faire ressentir aux élèves la notion de courant électrique en observant
le mouvement de porteurs de charges macroscopique (les bulles de savon, la balle de ping-pong…).
L’expérience de la balle de ping-pong décrite est comparable à celle du carillon électrostatique,
disponible auprès de nombreuses firmes didactiques.
Développements attendus principalement visés
Utiliser une analogie pour différencier une tension électrique d’une intensité de courant (C1).
L’élève associe la tension électrique et l’intensité de courant à des éléments différents d’une analogie
courante telle qu’un circuit d’eau, un circuit de voiture, une piste de ski...
Il peut éventuellement s’agir des éclateurs de la machine de Whimshurst, mais l’expérience sera plus spectaculaire avec deux
sphères d’un diamètre de l’autre de 10 cm.
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Pour recouvrir la balle de ping-pong de graphite, il suffit de crayonner à l’aide d’un crayon noir sur toute sa surface. On peut
utiliser n’importe quel point fixe en hauteur permettant de suspendre la balle de ping-pong.
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Il faut éventuellement donner un petit mouvement initial à la balle de ping-pong.
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Citer différents exemples de générateurs électriques et indiquer la transformation d’énergie dont ils
sont le siège (C2).
L’élève cite différents exemples de générateurs électriques et indiquer la transformation d’énergie dont
ils sont le siège.
Citer différents exemples de récepteurs et indiquer la transformation d’énergie dont ils sont le siège
(C3).
L’élève cite différents exemples de récepteurs et indique la transformation d’énergie dont ils sont le
siège.
Identifier les conditions de circulation d’un courant électrique dans un circuit (C4).
L’élève identifie la présence d’un générateur, d’une suite ininterrompue de conducteurs électriques et
de récepteurs formant un circuit fermé.
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