UQÀM DID3510-011 Partie 1 Thème 4 : Étude des forces agissant à

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UQÀM
DID3510-011
Partie 1
Thème 4 : Étude des forces agissant à distance : Électrostatique et magnétique.
Par
Sabrina Lamoureux
(LAMS09579005)
et
Mariane McNeil
(MCNM20589000)
Remis le 25 février 2010
Table des matières
Introduction………………………………………………………………………………………………………………..p.3
Mise en scène…………………………………………………………………………………………………………….p.4
Expérimentation #1…………………………………………………………………………………………………….p.5
Expérimentation #2…………….………………………………………………………………………………………p.6
Notions scientifiques…………………………………………………………………………………………………..p.8
2
Cher ami ou amie,
Dans cette deuxième partie du recueil,
tu découvriras les forces électrostatiques
et magnétiques. Tu auras donc à réaliser
deux expériences amusantes où tu
pourras toi-même voir ces phénomènes.
Tu verras que ces phénomènes peuvent
permettre beaucoup de choses et qu’ils
sont parfois très curieux.
Après ces expérimentations et la lecture des notions scientifiques, tu seras par la suite
en mesure de transmettre tes nouvelles connaissances à ton tour à ta famille et tes
ami(e)s.
Bonne découverte!
3
Mise en scène
Voilà un sujet qui paraît bien complexe! Mais savais-tu que ce phénomène est à l’origine
de bien d’autres étranges phénomènes. Par exemple, t’est-il déjà arrivé que tes cheveux
soient électrisés après que tu les ais soigneusement peignés ou bien qu’après avoir collé
un ballon lors d’une fête sur ta tête, tes cheveux semblent attirés par la suite vers ce
même ballon d’eux-mêmes? Sais-tu comment fonctionne une boussole? Tu vois, il serait
bien intéressant d’en apprendre sur ce sujet! Mais d’abord, voyons voir tes
connaissances…
À quoi sert une boussole? Comment fonctionne-t-elle?
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Est-ce que seuls les aimants peuvent attirer des éléments?
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Peut-on attirer un trombone dans un verre en plastique en gardant l’aimant à l’extérieur
du verre? Pourquoi?
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Si tu casses un aimant en deux, ces deux pièces auront-elles les mêmes capacités que
ton aimant de base?
4
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Expérimentation 11 :
La première expérience portera sur le magnétisme. Tu pourras constater que cette
force, bien qu’invisible à l’œil nu, peut avoir des conséquences sur certains objets qui
nous permettront d’observer ce phénomène.
Ce qu’il te faut :
-Une aiguille.
-Une feuille accompagnée d’un crayon.
-Un bol à salade rempli d’eau.
-Un aimant. (Ne prends pas un trop petit aimant, mieux est la qualité de celui-ci, mieux
sera le résultat de ton expérience)
-Un verre.
Étapes à suivre :
#1 Avec un verre, trace un cercle sur une feuille de papier. Ensuite, découpe-le. Puis,
enfile une longue aiguille dedans, essaie de la mettre au centre.
#2 Avec le bout d’un aimant, frotte celui-ci contre l’aiguille. Refais ce geste 20 fois dans
la même direction, en soulevant l’aimant à chaque fois.
#3 Prends ton bol à salade déjà rempli d’eau et dépose le cercle de papier avec l’aiguille,
sur la surface de l’eau, bien au centre. Puis sois patient et observe ton bol, que
remarques-tu?
1
Andrews, Georgina et Kate Knighton. 2006. 100 expériences scientifiques. Londres: Usborne, 96p.
5
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Note : Remarque bien l’orientation que prends l’aiguille.
#4 Si tu fais tourner la feuille dans différentes direction, que remarques-tu?
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Note : Si tu le désire, tu peux recommencer plusieurs fois l’expérience pour regarder s’il
y aurait des similitudes.
Résultat de l’expérimentation 1 :
D’abord, après quelques secondes, ton cercle de papier commence à tourner. Si tu as
suffisamment eu de patience, tu auras remarqué que le cercle de papier avec l’aiguille
finissait toujours par s’arrêter et pointer dans la même direction à chaque reprise.
Expérimentation 22 :
Cette deuxième expérience portera sur la force électrostatique. Grâce à celle-ci, tu
découvriras la force électrostatique est créée par le frottement de deux matières. Il est à
noter que la température idéale pour ce type d’expériences, est en temps de
température avec faible taux d’humidité. Commençons tout de suite!
2
Bingham, Jane.1993. Le livre des expériences. Londres : Usborne, 65p.
6
Ce qu’il te faut :
-Deux ficelles de même longueur.
-Deux ballons (Ballons de fête).
-Ruban adhésif.
-Chiffon de laine.
Étapes à suivre :
#1 Gonfle les deux ballons avec ta bouche.
#2 Fixe une ficelle à chaque ballon.
#3 Colle tes ficelles au plafond, un cadre de porte peut faire l’affaire, afin que tes ballons
se touchent.
#4 Puis frotte avec entrain chacun des ballons avec le chiffon de laine.
#5 Éloigne-toi et regarde leur comportement.
Que remarques-tu?
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Résultat de l’expérimentation 2 :
Une fois que tu as frotté chaque ballon, ceux-ci,
bien qu’ils fussent collés au départ, se repoussent
maintenant. Même s’ils se déplacent un peu, ceuxci ne se touchent pas et ce pendant quelques
minutes. Finalement, ils finiront par revenir à leur
position du départ.
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Notions scientifiques :
Voyons voir l’évolution de la découverte du magnétisme. Si on se fit à plusieurs
documents historiques, ce serait les Grecs, environ 500 ans avant Jésus-Christ, qui
auraient découvert une étrange pierre noire. Celle-ci fût découverte en Magnésie, cette
région est d’ailleurs très riche en aimants naturels, d’où vient le terme « magnétisme ».
Mais l’histoire ne s’arrête pas là, puisque les Grecs étaient incapable d’expliquer ce
phénomène, même le grand mathématicien Thalès acceptait cette théorie sans
fondements. Ensuite, ce fût au tour des Chinois, vers le 1e siècle, de faire une
découverte sur la pierre d’aimant, ils ont constaté qu’en la suspendant au bout d’un fil,
celle-ci pointait toujours en direction de l’étoile polaire. Ceux-ci avaient remarqué que
cette étoile était fixe, d’où découle l’invention de leur boussole constituée d’une
cuillère. On doit une grande partie de la découverte des propriétés de l’aimant à William
Gilbert, vers la fin du 16e siècle. Ce dernier se pencha plus précisément sur l’attraction
et la répulsion magnétique des aimants. C’est à partir de ce moment, que l’on a compris
que chaque objet magnétique a deux pôles, soit un vers le nord et un vers le sud. De
plus, c’est à cet homme que l’on doit la première hypothèse selon laquelle la Terre est
un énorme aimant.
Il avait d’ailleurs raison, puisque par la suite nous avons découvert que le centre de la
Terre est un noyau composé de matière en fusion. Celle-ci est entre autres composée de
fer et de nickel. C’est le mouvement de la Terre qui crée un champ magnétique à sa
surface.3
Maintenant revenons à nos expériences. Continuons avec le magnétisme avant de nous
engager dans la force électrostatique. Tu te souviens de ton expérience avec le bol
d’eau et l’aiguille? Eh bien, voilà quelques explications. Avant tout, il faut savoir qu’une
aiguille est composée d’un acier qui contient des particules de fer disposées dans le
3
Métioui, Abdeljalil. Notions de base en sciences : Force, Matière, Magnétisme, Électrostatique et Circuit
électrique.
8
désordre, mais lorsqu’on frotte celle-ci avec un aimant,
celle-ci se magnétise et
cherchent à pointer, tous, dans la même direction, un certain ordre s’établi. Comme
mentionné plus haut, étant donné que le noyau de la Terre joue le rôle d’un aimant,
celui-ci crée son propre cham magnétique. Or, l’aiguille que l’on aura magnétisée plus
tôt, tendra toujours à s’aligner avec le champ magnétique de la Terre. Elle ne cherche
pas d’autre champ magnétique de d’autres objets, puisque celui ayant la plus grande
masse sera toujours la merveilleuse planète Terre. Pour enrichir un peu plus tes
connaissances, revenant à la nature de l’aimant en soir. Dans un aimant, il y a toujours
autant de micro-aimants, qu’il y a d’atomes dans celui-ci. Chaque micro-aimant, a luimême un pôle sud et un pôle nord. Ensuite, tous les micro-aimants d’un aimant,
pointent vers le nord. C’est pourquoi même lorsqu’on brise un aimant en deux, on
obtient deux aimants qui auront chacun les mêmes propriétés de l’aimant initial. Il est
donc impossible de séparer les pôles d’un aimant. Prends garde, ne crois pas qu’un
aimant attire tous les métaux. On peut seulement attirer ou aimanter temporairement
les matériaux ferromagnétiques comme le fer, le nickel et le cobalt.
Tu en sais maintenant beaucoup sur le magnétisme, mais nous avons aussi expérimenté
la force électrostatique. Ce phénomène a d’abord été découvert par Thalès de Milet.
Celui-ci a remarqué qu’en frottant un morceau d’ambre avec de la laine, il pouvait
attirer des objets légers. Par la suite, William Gilbert fût le premier à utiliser le terme
« électrique ». Il a aussi constaté que le verre et le souffle pouvait attirer des objets
comme la pierre d’ambre le faisait une fois frotté par la laine. Il a créé par la suite, deux
catégories de substances, soit celles « électriques », lorsqu’elles attirent des objets
lorsque frottées et celles « sans propriété électrique ». Il a réussi ce classement grâce à
son appareil simple muni d’une aiguille métallique non-magnétique montée sur une
base.
On doit la répulsion électrique à Otto Von Guericke grâce à sa machine à frottement, qui
elle était constituée d’une grosse boule de souffre sur un axe de fer. Par la suite, le
phénomène de conduction fût découvert par Stephen Gray qui a utilisé la machine de
9
Von Guericke pour découvrir qu’on peut charger un objet sans le frotter. Évidemment,
quelques erreurs ont été faites au fil de ces découvertes, mais une erreur ne signifie pas
qu’aucun avancement est fait. Par exemple, Charles Du Fay a été le premier à penser
qu’il y avait peut-être deux types de charges dans un objet frotté, ce qui en soi est bien,
mais lorsqu’il nous expliquait sa théorie, ce dernier disait que l’objet contenait un fluide
électrique.
À l’inverse de Charles Du Fay, Benjamin Franklin a émis l’hypothèse que c’était plutôt un
fluide électrique qui se déplace entre deux objets frottés. Celui qui donnait le fluide était
chargé positivement et celui qui le recevait, chargé négativement. Une fois de plus,
cette hypothèse ne s’avéra pas complètement exacte. C’est tout de même Franklin qui a
inventé le paratonnerre. Non pas sans danger, puisqu’au cours de ces expériences, bien
souvent on faisait appel aux éclairs.
Voyons voir comment se produit les éclairs pour comprendre pourquoi ce phénomène
les intéressait tant et du coup, comprendre le phénomène de répulsion entre tes
ballons. Avant, il faut savoir que toute matière est composée de charges négatives et de
charges positives. Lors des orages, les morceaux de glaces dans les nuages se cognent
ensemble et se transfèrent des charges. Les charges négatives se retrouvent alors dans
le bas des nuages et attirent les charges positives de la Terre. Lorsque l’attraction est
forte, il y a éclair.
Tu as sans doute toi-même déjà remarqué que lorsque tu places deux éléments près
l’une de l’autre, mais pôle sud à pôle sud par exemple, ou bien pôle nord à pôle nord,
ceux-ci se repoussent. Au contraire, ils vont s’attirer si tu approche un pôle sud, d’un
pôle nord. C’est en quelque sorte le même phénomène qui se produit avec les ballons.
Lorsque tu frottes les ballons avec la laine, les électrons de la laine se transfère dans les
ballons, donc les charges de ceux-ci se réorganisent et deviennent chargés
négativement puisqu’il y a plus d’électrons. Notons, qu’il n’y a que les électrons qui se
transfèrent, dons que les charges négatives. Or, si tu charges négativement tes deux
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ballons avec ta laine, ils se repousseront puisque nous avons vu que deux charges
identiques se repoussent (tout comme les pôles identiques des aimants).
Ouf! En voilà de nouvelles connaissances! J’espère que tu comprendras mieux
maintenant le monde des forces magnétiques et électrostatiques.
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