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Académie de Versailles
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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 ?
• 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 ?
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 (17061790) 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 ”.
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/r2. 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
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.
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 (16421727) qui s’exerce entre deux masses ponctuelles et varie comme elle en 1/r 2.
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.
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
– 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.
– THEVENOT 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, ParisBruxelles, 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