Machine electrostatique

XXIIe Olympiades de physique/ Lycée Bernard Palissy/ Agen/ Machine électrostatique
OLYMPIADES DE PHYSIQUE France Année 2014-2015
XXIIe édition
Construction et
étude d'une
machine
électrostatique
Élèves participants :
Dos Santos Pinto Diogo - Fourdaous Najib - Giorgi Anthéa - Pineau Adrien
Poujon Adrien
Avec LACLAVERIE Jean-Michel
Professeur encadrant
Lycée Bernard Palissy- AGEN
Académie de Bordeaux
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XXIIe Olympiades de physique/ Lycée Bernard Palissy/ Agen/ Machine électrostatique
Table des matières
Résumé
Mots clefs
Partenaires
Introduction
A- Construction d'une machine électrostatique
1- Les plasmas thermiques
2- Principe de fonctionnement
3- Fabrication d'une machine avec CD et bouteilles plastiques
4- Tests
B- Vitesse du son
1- Le principe de nos mesures
2- Nos résultats
C- Mesures de tension sur la machine de Wimshurst
1- Diviseur de tension
2- Montage suiveur et diviseur de tension
3- Mesures galvanométriques
4- La recherche de nouvelles solutions
5- Circuits RC et RLC
6- Étude qualitative avec l'électromètre du lycée
7- Mesures avec électrificateur de clôture
D- Application à la peinture électrostatique
Conclusion Références bibliographiques
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XXIIe Olympiades de physique/ Lycée Bernard Palissy/ Agen/ Machine électrostatique
Résumé : A partir de CD et de bouteilles plastiques, nous avons fabriqué une machine
électrostatique permettant de produire des tensions de l'ordre de 10 kV. Nous avons étudié avec
cette machine la vitesse du son dans l'air et relevé le difficile défi de la mesure de haute tension sur
cet appareil. Mais cette tension, qui l'a vraiment mesurée avant nous avec des moyens de lycée?
Plusieurs professeurs et ingénieurs n'ont pas pu nous aider à trouver une méthode de mesure à
notre portée. Alors après de multiples essais, nous avons trouvé une méthode originale pour
mesurer la haute tension aux bornes de la machine de Wimshurst à l'aide d'un électrificateur de
clôture.
Mots clefs : Électrostatique – Mesure de haute tension – Vitesse du son
Partenaires : Pour les conseils sur les mesures de haute tension : ERDF - Université
Bordeaux I – Udppc – Palais de la découverte.
Introduction
Quel lien existe-t-il entre les rayons cosmiques et l'électroscope du cours de Première S ?
Depuis plus de cent ans, les rayons cosmiques sont étudiés par les scientifiques, Grâce à eux, de
nouvelles particules ont été découvertes avant l’avènement des accélérateurs de particules.
Certaines sont si étranges qu'elles ont amené l'élaboration du modèle des quarks. Ce rayonnement
apporte des renseignements sur l'univers et les scientifiques ont encore beaucoup d'énigmes à
résoudre, comme par exemple l'origine des particules les plus énergétiques.
Un électroscope est un outil permettant de mettre en évidence des charges en électrostatique.
On le charge par exemple, en touchant son plateau et en frottant ses pieds par terre. Cet outil semble
dérisoire face aux mystères des rayons cosmiques. Et pourtant c'est lui qui a permis de découvrir
leur existence. Un électroscope chargé et isolé se décharge spontanément. Pourquoi ? A cause de
l'ionisation de l'air par les rayons cosmiques. C'est l'hypothèse que Charles Wilson avance en 1898
et qui sera vérifiée plus tard.
Notre professeur a su rendre l'électrostatique passionnante en faisant le lien entre
l'électroscope et les énigmes de l'univers. Nous avons donc choisi un sujet pour les Olympiades de
physique en lien avec l'électrostatique. La machine de Wimshurst nous a paru un sujet très riche, car
elle permet de fabriquer des éclairs qui fascinent, mais aussi de déterminer la vitesse du son ou la
composition de l'air ionisé que traverse l'éclair. Mais une chose principalement nous intrigue . La
tension à ses bornes est de plusieurs dizaines de milliers de volts ! Mais pourtant personne ou
presque ne l'a jamais mesurée...
A la fin de nos TPE, nous avons demandé à plusieurs professeurs de physique, (au lycée à
l'université Bordeaux I, à l'Union des professeurs de physique et de chimie), à des techniciens et
ingénieurs d'ERDF, au Palais de la découverte, sans aucun résultat probant. Tout le monde connaît
l'ordre de grandeur de la valeur de la tension, mais personne ne nous a donné les moyens de la
mesurer. Alors nous en avons fait un de nos buts. Et l'électroscope sera un de nos outils. Nous vous
présenterons nos réussites et nos échecs sur ce sujet si difficile.
Tout d'abord, nous vous présenterons la réalisation de notre prototype de machine
électrostatique, puis son utilisation pour déterminer la vitesse du son. La suite de notre travail
concerne nos nombreuses tentatives de mesure de la tension à ses bornes, dont une avec un
électroscope.
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XXIIe Olympiades de physique/ Lycée Bernard Palissy/ Agen/ Machine électrostatique
A- Construction d'une machine électrostatique
1- Les plasmas thermiques
La machine de Wimshurst est capable de produire des arcs électriques. Les plasmas
thermiques créés par les arcs électriques constituent un sujet d'étude important pour l'industrie car
les arcs électriques sont souvent responsables de la détérioration des appareils électriques, lorsqu'ils
ne sont pas souhaités. Le plasma thermique est le quatrième état de la matière. Pour l'arc électrique,
c'est un fluide neutre conducteur. Les électrons sont émis par la cathode par effet
thermoélectronique. Ils sont soumis à la force de Lorentz, c'est à dire la force que subit une particule
dans un champs électromagnétique. Des atomes de la cathode sont vaporisés. La naissance de l'arc
est le résultat de la fusion des électrodes. La température est de l'ordre de 10kK. Puis l'arc se
maintient grâce à l'ionisation de l'air. Le champ électrique accélère les électrons qui transmettent
leur énergie aux ions et aux molécules par collision. La vitesse des particules dans l'arc est de l'ordre
de 200m/s. L'anode collecte les électrons. C'est là où l'arc est le plus lumineux.La conductivité
électrique de l'air dépend de sa température et donc change d'un point à l'autre de l'arc. Elle est de
l'ordre de 104 S/m à 10 kK. Cela correspond à une résistivité de 10-4 Ω m, de l'ordre de 103 plus
grande que celle des métaux comme l'argent. (Fulbert Baudoin, thèse, Contribution à la
modélisation des arcs électriques, 2004, Université de Clermont-Ferrand).
2- Principe de fonctionnement
Le générateur se compose de deux plateaux identiques isolants, sur lesquels sont collées des
bandes de papier métallique ou secteurs, et qui tournent en sens inverse. Deux conducteurs
diamétraux, portent à leurs extrémités des balais frottant sur les plateaux et sont reliés à la masse
(tous les électrons qu'ils peuvent collecter repartent dans la terre). Deux paires de peignes
recueillent les charges des plateaux, et chargent les condensateurs de l’appareil. Les pointes d'un
peigne, placées face un secteur positif se chargent négativement. Les micro décharges qui en
résultent neutralisent la charge du secteur. Tout se passe comme si la charge positive était collectée
par les pointes. Un éclateur réglable complète le tout. On supposera dans toute la suite du devoir
que si les secteurs avant se chargent positivement par frottements alors les secteurs arrières se
chargent négativement lorsque la machine est en fonctionnement
1- Un métal peut perdre des électrons par frottements. Il devient alors positif.
2- Un métal peut gagner des électrons par frottements. Il devient alors négatif.
3- Les électrons peuvent se déplacer dans un métal, pas dans un isolant.
4- Les charges positives ne se déplacent pas dans un métal.
5- La force d'interaction électrostatique permet d'expliquer les interactions entre particules chargées.
6- Un champ électrique existe entre un secteur positif et un secteur négatif.
7- Un métal peut s'électriser par influence, c'est à dire sans contact. Les électrons se déplacent dans
le métal et une partie devient positive, l'autre négative. Il reste globalement neutre tant qu'il n'y a
pas de contact.
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Source pour les schémas : N° 696 BULLETIN DE L'UNION DES PHYSICIENS p 881 Machine
de Wimshurst par François BOSSERT,
Zone1 : Le plateau arrière tourne vers la gauche. Il est chargé négativement après avoir été frottés
par les balais arrières. Il influence un déplacement des charges du secteur avant placé face à lui.
Zone 2 : Le secteur avant chargé par influence tourne vers la droite. Il arrive en zone 2
où il entre en contact avec les balais avant. Les charges négatives de la face avant du secteur
partent dans la terre. Le secteur qui était neutre devient positif.
Zone3 : Le secteur avant est toujours positif, mais il est également influencé par le secteur arrière
négatif, ce qui repousse quelques charges négatives vers la face avant du secteur.
Zone 4 : C'est la zone où les secteurs arrières se chargent négativement, comme les secteurs avant se
sont chargés positivement en zone 2.
Zone5 : Les secteurs avant, chargés + progressent vers le peigne.
Zone 6 :décharge des secteurs avant (venant du haut ) et arrière (venant du bas) entre les peignes.
Les deux secteurs qui arrivent sont positifs. Les pointes d'un peigne, placées face un secteur positif
se chargent négativement. Les micro décharges qui en résultent neutralisent la charge du secteur.
C'est la neutralisation de la charge positive par les charges négatives issues de pointes du peigne.(Si
la machine fonctionne dans le noir complet, on peut voir de petits éclairs entre les peignes et les
secteurs correspondant à ce transfert d'électrons). Tout se passe comme si la charge positive était
collectée par les pointes. Les deux bouteilles de Leyde reliées à la masse par leurs armatures
extérieures stockent les charges collectées.
Au cours d'une rotation complète, un secteur se charge positivement, puis se décharge sur un
peigne. Il se charge ensuite négativement, puis se décharge sur l'autre peigne.
L'extrémité la plus brillante de l'éclair correspond à la borne positive.
3- Fabrication d'une machine avec CD et bouteilles plastiques
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