Expériences sur l`électrisation par frottement

Les interactions fondamentales
F5
Comment se comportent certains corps frottés ?
Expériences sur l’électrisation par frottement.
Dispositif
Le dispositif utilisé est constitué de deux tiges isolantes disposées parallèlement entre elles, formant
deux rails parallèles sur lesquels on peut faire rouler un (ou plusieurs) petit(s) cylindre(s) constitué(s)
de matériaux différents (paille – ou chalumeau – qu’on utilise habituellement pour boire, tige de
verre, tige métallique, etc.).
Électrisation par frottement
Que communique le frottement à certaines substances ? Quelle est la caractéristique de la matière
associée à la force observée ?
Certaines substances, lorsqu’on les frotte, sont susceptibles de provoquer des phénomènes
surprenants : attraction de petits corps légers par une règle en plastique frottée, plaquage par
frottement d’une feuille de papier sur un revêtement plastifié, redressement des cheveux avec un
peigne, étincelles lorsqu’on froisse certains tissus synthétiques, décharge électrique ressentie en
refermant la portière de son véhicule, en échangeant une poignée de main, etc. Le langage courant
associe à ces phénomènes l’adjectif électrique.
Expériences possibles
Placer une paille non frottée sur le dispositif précédent.
Frotter légèrement une règle ou le corps d’un stylo en plastique à l’aide d’un tissu (coton ou laine) ou
d’un essuie-tout en papier et l’approcher de la paille d’abord en présentant la partie frottée et ensuite
en présentant la partie non frottée.
Recommencer en frottant plus énergiquement.
Questions possibles
• Dans quel cas peut-on mettre en mouvement la paille sans qu’il soit nécessaire de la toucher avec
la règle ? Comment qualifie-t-on alors ce type d’action : action de contact ou action à distance ?
• L’action exercée par l’objet frotté et subie par la paille dépend-elle de leur distance mutuelle ? Dans
quel sens s’exerce cette action : attraction ou répulsion ?
• Lorsqu’on frotte plus énergiquement la règle ou le corps du stylo, l’action sur la paille est-elle
modifiée ?
• Dans chacun des phénomènes électriques cités en préambule, y a-t-il un objet au moins qui a été
frotté ?
Document d’accompagnement – Physique / classe de première S © CNDP
• L’électrisation apparue sur la partie frottée se transmet-elle à l’ensemble du solide frotté ?
• D’où vient le terme “ électricité ” ?
Commentaires
Après frottement, la règle ou le corps du stylo présentent la même faculté d’attirer des corps légers
qu’un morceau d’ambre frottée : ils sont dits “ électrisés ” par frottement. Initialement neutres, ils se
sont chargés en électricité : une charge électrique s’accumule sur la surface frottée.
Dès 600 avant Jésus-Christ, Thalès de Milet rapporte l’observation de l’attraction de corps légers,
tels que des petits fétus de paille ou de petits fragments de plume, par un bâton d’ambre jaune
(résine fossile de conifères utilisée en bijouterie) frottée. Le terme électricité vient du mot grec
élektros qui signifie “ ambre ”. L’adjectif “ électrique ” est introduit à la fin du XVIe siècle par le savant
anglais William Gilbert (De magnete, 1600).
Caractère isolant ou conducteur d’un matériau
Tous les corps s’électrisent-ils par frottement ?
Par expérience, se coiffer avec un peigne métallique ne revient pas au même qu’avec un peigne en
matière synthétique. Avec le premier, les cheveux restent davantage plaqués au cuir chevelu tandis
qu’avec le second la chevelure gonfle davantage.
Expériences possibles
On dispose toujours d’une paille non frottée (donc non électrisée) placée sur le dispositif précédent.
Reprendre l’expérience précédente en utilisant une tige de verre frottée avec un morceau de tissu
(de préférence en coton ou, mieux, de soie).
Prendre une tige métallique (cuivre, fer, etc.) et, après l’avoir frottée énergiquement, l’approcher de
la paille précédente toujours non frottée. Cette dernière subit-elle une action au cours de l’approche
de la tige métallique ?
Questions possibles
• Lorsqu’une action s’exerce, cette action est-elle une attraction ou une répulsion ?
• Toutes les substances ont-elles le même comportement électrique ?
• À quelle catégorie appartiennent les substances qui agissent sur la paille après frottement :
substances isolantes ou substances conductrices ?
• Dans le cas d’un conducteur, les charges électriques apparues par frottement à la surface de la
partie frottée pourraient-elles s’y maintenir ?
• D’où vient la différence entre isolants et conducteurs ? Cette différence est-elle toujours nette ?
• Quel est le rôle des deux pailles utilisées comme rails dans le dispositif expérimental ?
Commentaires
Après frottement, tous les corps ne présentent pas la même faculté d’attirer des corps légers. Ceux
qui présentent cette faculté sont qualifiés d’isolants. Les autres, de conducteurs. L’anglais Stephen
Grey (1666-1736) fut l’un des premiers à classer les matériaux suivant deux catégories : les isolants
comme le verre, la résine, la soie et les conducteurs comme le métal, le chanvre, le corps humain.
La différence entre un isolant et un conducteur provient de la mobilité des charges dans le matériau.
Dans un isolant, une charge microscopique reçue en un endroit reste confinée dans la zone où elle a
été déposée tandis que dans un conducteur, cette même charge peut s’y déplacer librement.
Cependant, la différence n’est pas toujours nette : il n’existe pas d’isolant parfait. Ainsi, l’eau est
mauvaise conductrice comparée au cuivre mais bonne conductrice comparée au téflon.
Les deux sortes d’électricité
À la force électrique exercée par la partie frottée d’un matériau plutôt isolant sur un corps léger est
associée une caractéristique de la matière appelée charge électrique. Existe-t-il plusieurs sortes de
charges électriques ?
Document d’accompagnement – Physique / classe de première S © CNDP
Expériences possibles
1. Sur les deux rails isolants, placer un chalumeau – ou paille – A préalablement frotté avec un tissu,
préférentiellement de laine ou de coton. Frotter avec le même tissu une seconde paille et placer
cette seconde paille B sur les rails. En la poussant avec l’ongle de manière à la maintenir parallèle à
la première, chercher à la rapprocher et observer (figure 2).
2. Replacer la première paille après l’avoir rechargée par frottement avec le tissu précédent et
recommencer la même expérience qu’en 1 avec une très fine tige de verre préalablement chargée
par frottement avec un tissu de coton sec (attention à ne pas vous blesser en frottant la tige de
verre). Approcher lentement et observer (figure 3).
3. Reprendre l’expérience du 1 avec deux tiges de verre frottées de la même manière. Les deux
tiges s’attirent-elles ou se repoussent-elles ?
A
B
Figure 2 : Chalumeaux A et B frottés Figure 3 : chalumeau et tige de verre frottés
Questions possibles
• Lorsque l’on approche la paille B de la paille A, pour une certaine distance la paille A est
repoussée. L’approche de B vers A se fait-elle sans résistance ? Comment qualifie-t-on les actions
de B sur A et de A sur B ?
• Dans la deuxième expérience, la charge électrique portée par la tige de verre diffère-t-elle de celle
portée par la paille ? Préciser l’état électrique des corps en interaction lorsqu’ils s’attirent et lorsqu’ils
se repoussent. Quelles sont les deux “ sortes ” d’électricité ? Dans quel cas y a-t-il attraction ?
répulsion ?
• Lorsque l’on frotte une tige de verre avec un tissu, il apparaît une charge sur la partie frottée du
verre. Apparaît-il une charge sur la partie frottée du tissu ? Quelle est son signe ? Reste-t-elle
localisée sur la partie frottée du tissu ? Y a-t-il eu création ou transfert de charges ? Quel principe de
physique doit être respecté ?
Commentaires
Charles Dufay (1698-1739), botaniste français, nota le premier, vers 1733, l’existence de deux “
électricités ” : l’une obtenue en frottant du verre, l’autre obtenue en frottant des corps résineux.
Quelques années après, Benjamin Franklin (1706-1790) les appela électricités positive et négative,
choisissant arbitrairement d’appeler positive l’électricité portée par une tige de verre frottée avec un
morceau de soie 1.
Dans le langage actuel, nous retiendrons que “ deux charges de même signe se repoussent et deux
charges de signes contraires s’attirent ”.
1
Le signe de la charge électrique qui apparaît sur un corps frotté dépend de sa nature mais aussi de la nature du matériau
avec lequel on le frotte. Les atomes des divers éléments chimiques qui composent la nature n’ont pas tous la même affinité
pour les électrons. Une substance placée en contact avec une deuxième substance, peut en attirer des électrons et se
charger négativement, mais peut, au contact d’une autre substance se comporter vis-à-vis de cette dernière comme
donneuse d’électrons et se charger positivement. Ainsi, de l’ambre frottée avec un morceau de laine ou de soie se charge
négativement, tandis que, frottée avec un matériau en celluloïd, elle se charge positivement.
Document d’accompagnement – Physique / classe de première S © CNDP
Benjamin Franklin interpréta le phénomène d’électrisation à partir du principe de conservation de la
charge électrique, précédemment mis en évidence par William Watson, physicien anglais. La charge
totale (somme algébrique des charges positives et négatives) dans un système isolé est constante.
Mis en contact, deux corps frottés se chargent d’électricité de signe contraire. Les électrons des
couches externes des atomes étant les charges les moins liées, il y a transfert d’électrons d’une
substance vers l’autre, les parties frottées se chargeant d’électricité de signe contraire.
Influence de la distance et de la charge sur la force électrique
Entre deux corps chargés, il existe une interaction électrique caractérisée par la force s’exerçant sur
chacun des deux corps. De quels paramètres dépend cette force ?
Expériences possibles
Les expériences précédentes permettent de préciser les paramètres dont dépend la force
électrique, au vu des conclusions précédentes. Si nécessaire, on peut reprendre une expérience à
l’aide du dispositif des pailles.
Questions possibles
• Comment les observations précédentes permettent-elles de préciser si l’intensité de la force
électrique augmente ou diminue lorsque la charge électrique augmente ?
• Quelle est l’influence de la distance sur la force électrique ?
• Ces observations sont-elles compatibles avec la loi de Coulomb ?
• Connaissez-vous un autre exemple d’interaction à distance ?
Commentaires
Dès 1760, Bernouilli vérifie la compatibilité avec une loi de force en 1/r 2. Ami de Benjamin Franklin,
Joseph Priestley (1733-1804), connu pour sa découverte de l’oxygène, a l’intuition que la
dépendance spatiale de la force entre deux charges est en 1/r2. Cependant, c’est Charles Coulomb
(1736-1806) qui, à l’aide d’une balance de torsion, dispositif expérimental utilisant un fil de torsion et
permettant de mesurer des forces faibles, détermina l’expression de la loi de force aujourd’hui
appelée loi de Coulomb (1785). Le dispositif de la balance de Coulomb, repris par Cavendish
(1731-1810), allait permettre la détermination de la constante universelle de gravitation. En effet,
l’expression mathématique de la force électrique est formellement identique à l’expression de la
force de gravitation de Newton (1642-1727) qui s’exerce entre deux masses ponctuelles et varie
comme elle en 1/r2.
Remarques complémentaires
Interprétation de la première expérience : attraction d’un corps chargé sur un corps léger
L’attraction de la paille non chargée par une autre paille frottée ou par la baguette de verre frottée
n’est pas simple à expliquer. En effet, la paille non frottée est électriquement neutre : elle n’est pas
chargée. Toutefois, constituée d’atomes, elle possède des charges négatives et positives en
quantités égales. Lorsqu’on approche un corps chargé, la position de certaines charges à l’intérieur
de la paille est légèrement modifiée (phénomène d’influence avec déplacement des charges dans
un conducteur ou polarisation dans un isolant). Par exemple, si on approche de la paille une règle en
plastique chargée négativement par frottement avec un morceau de drap pur coton, des charges
positives sont attirées tandis que des charges négatives sont repoussées. Les charges positives
sont alors plus proches de la règle que les charges négatives. Comme l’intensité de la force
électrique décroît avec la distance, les charges négatives de la règle sont plus proches des charges
positives de la paille que de ses charges négatives : l’attraction l’emporte.
Ce raisonnement peut être reproduit dans le cas de l’approche d’une baguette de verre chargée
positivement par frottement avec de la laine. Cette fois, les charges positives de la baguette de verre
sont plus proches des charges négatives de la paille et l’attraction l’emporte encore. Dans tous les
cas, l’action d’un corps chargé sur un autre corps est une attraction.
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Déviation d’un mince filet d’eau par une paille chargée
Cette expérience facile à réaliser peut être l’occasion de réinvestir les connaissances acquises pour
interpréter le phénomène observé.
Expériences possibles
Approcher une paille frottée au voisinage d’un filet d’eau et observer.
Chercher la position optimale pour obtenir une bonne déviation.
Recommencer avec une tige de verre frottée. Observer.
Chalumeau chargé
Filet d’eau dévié
Questions possibles
• Le sens de la déviation dépend-il du signe de la charge portée par le corps chargé ?
• Sachant que, dans une molécule d’eau, le barycentre des charges positives n’est pas confondu
avec le barycentre des charges négatives, les observations sont-elles conformes à la loi de Coulomb
?
Commentaires
Supposons que l’on approche du jet un chalumeau chargé négativement. À son voisinage, les
molécules d’eau du jet s’orientent de telle manière que le barycentre des charges positives soit plus
proche que le barycentre des charges négatives.
Attraction d’une molécule d’eau
dans le cas d’un chalumeau chargé négativement
Conformément à la loi de Coulomb, la résultante des forces d’attraction entre les charges négatives
de la paille et le centre des charges positives des molécules d’eau est plus intense que la résultante
des forces de répulsion entre les charges négatives de la paille et le centre des charges négatives
des molécules d’eau.
Compétences du programme mises en œuvre
Compétences expérimentales et manipulatoires
– Formuler une hypothèse sur un événement susceptible de se produire.
– Formuler une hypothèse sur un paramètre pouvant jouer un rôle dans un
phénomène.
– Proposer une expérience susceptible de valider ou d’invalider une hypothèse.
– Analyser des résultats expérimentaux.
– Faire le schéma d’une expérience.
Compétences transversales
Document d’accompagnement – Physique / classe de première S © CNDP
– Décrire une expérience, un phénomène.
– Utiliser le vocabulaire scientifique.
– Rédiger une argumentation.
– Analyser des résultats expérimentaux.
Pour en savoir plus...
– BORVON Gérard, “ De Dufay à Ampère. Des deux espèces d’électricité aux deux
sens du courant électrique ”, Bulletin de l’Union des physiciens, n° 760, janvier
1994, p. 27-60.
– THÉVENOT André, LUQUE Manuel et RUSTERHOLTZ Michel, “ Vérification
expérimentale de la loi de Coulomb ”, Bulletin de l’Union des physiciens, n° 782,
mars 1996, p. 567-570.
– Collectif, Le Trésor. Dictionnaire des sciences, Flammarion, 1997. Mise en ligne,
avril 1998.
– VERBIST Yvonne, BRIBOSIA Alain, NACHTERGAELE Luc, VANDERPERREN Michel,
VILLIERS Paul, Physique, cinquième option complémentaire, Éditions De Boeck,
Bruxelles, 1992 (la classe de cinquième en Belgique correspond à la classe de
première en France).
– HECHT Eugène, Physique, ITP De Boeck Université, Paris-Bruxelles, 1999, p.
643-684.
Internet
www.inrp.fr/lamap/scientifique/electricite/essayez/accueil.html
www.sciences-en-ligne.com/Frames_dictionary.asp
www.palais-decouverte.fr/discip/physique/phyestat.htm
Document d’accompagnement – Physique / classe de première S © CNDP