Première S www.sciencesphysiques.info TP de Sciences Physiques nÀ16 Notion de champ en Physique : exemple dÊapplication Comment a-t-on déterminé historiquement la masse et de la charge de l’électron ? I- La mesure du rapport q / m pour l’électron : expérience de J.J Thomson (1896-1897) En 1737, des expériences menées sur les interactions entre objets électrisés amène Du Fay à postuler l’existence de deux formes d’électricité, qu’il nomme « vitreuse » et « résineuse ». Quelques années plus tard, Benjamin Franklin donnera à ces deux formes leur nomenclature actuelle d’électricité respectivement « positive » et « négative ». Au milieu du 19ème siècle, de nombreux scientifiques cherchent à expliquer les propriétés électriques de la matière et arrivent à la conclusion qu’il doit exister une particule subatomique (plus petite qu’un atome) qui porte une charge électrique indivisible. L’expérience de Crookes, menée dans les années 1870, montre qu’un faisceau constitué de ces particules est chargé négativement et est dévié par la présence d’un champ magnétique. La particule est alors nommée « électron ». En 1896, le physicien anglais J.J Thomson met au point l’ancêtre du spectromètre de masse et détermine avec précision le rapport q / m pour l’électron. Il constate que ce rapport est environ 1000 fois plus grand que pour l’atome d’hydrogène ce qui suppose, si la notion de charge élémentaire est confirmée, que l’électron serait « 1000 fois plus léger que le plus petit des atomes ». Le dispositif utilisé est constitué d’une cathode et d’une anode alimentées par une très haute tension : elles créent entre elles un champ électrique E uniforme et accélèrent ainsi le faisceau d’électrons. Celui-ci se retrouve ensuite entre deux bobines alimentées par un courant électrique créant entre elles un champ magnétique uniforme d’intensité B. La théorie, que nous ne détaillerons pas ici mais qui sera l’objet d’une activité en Terminale, montre que le rapport q / m est défini en fonction de la vitesse des électrons (v = E/B), de l’intensité du champ magnétique (B) et du rayon de la trajectoire circulaire du faisceau d’électrons (r). q v = m rB avec v= E B v en mètre par seconde (m.s-1) r = 5,30 cm = 5,30.10-2 m B = 1,80 mT = 1,80.10-3 Tesla (T) E = 300 V / cm = 30000 V/m q en Coulomb (C) m en kilogrammes (kg) Problème : cette merveilleuse théorie nous donne accès au rapport q / m mais pas aux valeurs de la masse et de la charge de l’électron… II - La mesure de la charge élémentaire : l’expérience de Millikan (1906-1913) Entre 1906 et 1911, le physicien américain Robert A. Millikan travaille sur une expérience dite « expérience des gouttes d’huile » afin de prouver l’existence de la charge élémentaire indivisible supposée depuis un demi siècle et d’en trouver la valeur. Les résultats de ses expériences sont publiés en 1913. Millikan a utilisé le champ électrique uniforme qui règne entre les bornes d’un condensateur pour établir l’existence de cette charge élémentaire et déterminer sa valeur « e ». Etudions le protocole de cette « expérience des gouttes d’huile ». TP de Sciences Physiques n°16 : notion de champ en Physique Page 1 / 2 Première S www.sciencesphysiques.info Description de l’expérience De petites gouttes d’huile sont pulvérisées dans la chambre supérieure de l’appareil où elles acquièrent une charge électrique négative (sous l’effet de rayons X). Elles tombent ensuite, par gravitation, dans la chambre inférieure. Pour mesurer la valeur de leur charge, on crée un champ électrique uniforme entre deux plaques A et B, tel que des charges électriques peuvent y être immobilisées. L’analyse des forces qui s’exercent sur la goutte d’huile permet alors de calculer la valeur de la charge q. Ce calcul nécessite de déterminer la taille et la masse de la goutte et de savoir que la force électrique F exercée sur une charge électrique q placée dans un champ électrique E vaut : F = q × E. En reproduisant un très grand nombre de fois l’expérience, avec des conditions d’ionisation différentes, Millikan a établi que la charge des gouttes était quantifiée, c’est-à-dire que les gouttes d’huile portaient une charge toujours multiple d’une valeur constante nommée charge élémentaire et notée « e ». Interprétation Quelles sont les forces qui s’exercent sur la goutte dans l’espace entre les deux plaques A et B où règne un champ électrique uniforme. Donne leurs expressions littérales. Représente la goutte, les plaques avec leur charge électrique, et ces forces sur un schéma. Soit une goutte de masse « m » et de charge électrique « q » immobile entre les deux plaques A et B. Pour que cette goutte puisse être en équilibre, sa charge étant négative, quel doit être le sens du champ électrique E entre les plaques ? Quelle est alors la plaque chargée positivement ? Et négativement ? Etablis la relation donnant la valeur de la charge q portée par la goutte en fonction de la masse m de la goutte et la valeur E du champ électrique. Quel autre champ intervient ici dans le raisonnement ? Déduis-en l’expression de q en fonction de m, de la tension UAB entre les deux plaques A et B et de la distance d qui les sépare, et de l’intensité de la pesanteur. Application numérique Calcule la valeur de la charge q portée par une goutte d’huile de diamètre 3,28 µm en équilibre quand la tension appliquée entre les deux plaques vaut 3,84 kV. La distance séparant ces deux plaques est de 20,0 mm, et la masse volumique de l’huile vaut 851 kg/m3. Exploitation En changeant les conditions d’ionisation dans la chambre supérieure, Millikan observe que les gouttes peuvent porter des charges différentes mais les valeurs trouvées font toujours partie d’une même liste : 8,0.10-19 C ; 3,2.10-19 C ; 4,8.10-19 C ; 1,6.10-19 C ; 6,4.10-19 C ; 9,6.10-19 C Quelle conclusion peut-on tirer de cette expérience ? Justifie. Quelle est la charge électrique portée par un électron ? Justifie. Combien d’électrons portait la goutte sur laquelle nous avons fait l’application numérique ? En revenant à l’expérience de Thomson, calcule est la masse de l’électron ? Compare la valeur trouvée à la valeur communément admise. TP de Sciences Physiques n°16 : notion de champ en Physique Page 2 / 2