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? ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ Est-ce que seuls les aimants peuvent attirer des éléments? ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ Peut-on attirer un trombone dans un verre en plastique en gardant l’aimant à l’extérieur du verre? Pourquoi? ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ Si tu casses un aimant en deux, ces deux pièces auront-elles les mêmes capacités que ton aimant de base? 4 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ 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 ________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________ Note : Remarque bien l’orientation que prends l’aiguille. #4 Si tu fais tourner la feuille dans différentes direction, que remarques-tu? ________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 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? ________________________________________________________________________ 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. 7 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 10 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. 11