L`électrostatique de Thales de Millet jusqu`à l`accélérateur de

DELLISE Pauline
FACHE Laetitia
Lycée des Flandres
De l'électrostatique de Thalès de
Millet à l'accélérateur de
particules
XXIième OLYMPIADES DE PHYSIQUE 2014
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Résumé :
Quels liens peut-on trouver entre les crépitements dans les cheveux quand on enlève un pull et les
accélérateurs de particules ? C’est en partant des prémices de l’électrostatique avec Thalès de Millet et en
suivant l’évolution des principales idées sur le sujet que nous avons réussi à comprendre comment il est
possible d’agir sur des objets chargés pour leur donner de la vitesse. Nous nous sommes efforcées de
construire un accélérateur de billes pour faire un parallèle entre ce modèle et les accélérateurs linéaires de
particules.
Sommaire :
I – Historique Page 3
II – Notion de champ électrique Page 8
III – Réaliser un accélérateur de particules Page 11
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I – Historique
« Le terme électricité vient du mot grec elektros qui signifie «ambre», c'est-à-dire une résine d'arbre
fossilisée. Les Anciens avaient déjà remarqué qu'un bâtonnet d'ambre frotté avec du tissu attire des
débris de feuilles mortes ou des grains de poussière»
En – 600 Thalès de Milet, un philosophe et savant grec, observe
après avoir frotté de l'ambre jaune que celle-ci attire de l'oxyde de
fer. Il pense qu'un souffle de vie anime ce caillou jaune.
Illustration : Grâce à une règle on peut attirer des corps légers
comme des boules de sureau.
Pendant 2000 ans, hormis quelques philosophes grecs (Plutarque)
qui imaginaient que l'échauffement de l'ambre permettait d'emporter
les corps légers par la convection de l'air, l'étrange pouvoir d'attraction de l'ambre n'intéresse plus grand
monde. Les investigations reprennent à la fin du 16ème siècle avec le médecin personnel de la reine
Elisabeth 1er, William Gilbert. Il découvre que d'autres matériaux tels que le verre, le diamant ou l'alun
attirent eux aussi des objets comme les plume, la paille ou la poussière lorsqu'on les frotte... Gilbert
nomme cette force d'attraction à distance "électricité".
Illustration : Attraction avec la paille et les plumes grâce à un bâton d'ébonite ou une règle en plexiglas
En 1629, Niccolo Cabeo met en évidence l'attraction et la répulsion
des corps électrisés. Selon lui, ces deux phénomènes s'opèrent par le
déplacement de l'effluvium dans l'air.
Mise en évidence de la répulsion et de l’attraction avec les pailles en
PVC en suspension
En 1660 Otto Van Guerrick invente la première machine
électrostatique. À l'époque, la machine est sommaire, il
s'agit d'un globe de soufre mis en rotation et frotté par la
main de l'homme, puis par un drap. Le frottement créant
une charge électrique sur le globe. Otto Von Guericke
observe avec ce globe un ensemble de phénomènes qui
furent ultérieurement attribués à l'électricité.
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Mais pour lui, seule l'attraction est de nature électrique. S’il a choisi de faire un globe en soufre auquel il
a incorporé quelques minéraux, c’est qu’il veut réaliser un modèle réduit de la Terre dont il cherche à
imiter la composition. Il a d'ailleurs cassé le globe de verre ayant servi à mouler le soufre liquide.
Guericke pense que toutes les "vertus" manifestées par les planètes ont leur siège dans les corps
ordinaires. Parmi ces vertus, celle d'attirer d'autres corps, comme les masses tombant sur la Terre, est la
seule qu'il associe à l'électricité. Grâce à une autre "vertu", la Terre tient au contraire à distance certains
corps, tels le feu ou la lune, de même que son globe de soufre tient à distance la plume repoussée.
D'autres "vertus" encore, comme les vertus lumineuse et sonore (l'éclair, le tonnerre) se trouvent
également reproduites en miniature par son globe.
Son globe frotté peut difficilement être considéré comme une machine électrique, même si cette idée de
frotter une boule en rotation sera à la base des premières machines électriques.
En 1705, Francis Hauksbee, un scientifique britannique, découvre que s'il place
une petite quantité de mercure dans le verre d'un générateur électrostatique de
Otto Von Guericke modifié par ses soins, et qu'il évacue l'air de celui-ci, lorsque
la boule est chargée par frottement de la main, une lueur devient visible en
plaçant sa main près de la boule, à l'extérieur. Et donc qu'une boule de verre émet
de la lumière et attire les objets légers lorsqu'elle est mise en rotation et frottée.
L'attraction est alors si forte que les poils se dressent au voisinage du verre ! La
lueur produite était suffisante pour permettre de lire. Il venait d'inventer la lampe
à décharge.
En 1729, Stephen Gray découvre la conduction électrique. Les métaux transfèrent les charges pas les
isolants
Illustration : Plexis électrisé règle en métal puis bâton de verre pour atteindre un pendule électrostatique
On voit ici que les charges ne sont pas conservées par les métaux : elles sont transmises par ces derniers
alors que les matériaux isolant s’électrisent et donc ne conduisent pas les charges électriques
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En 1733, Charles François de Cisternay Du Fay, un chimiste français, se lance dans une série
d'expériences. Il montre d'abord que les métaux peuvent être aussi
électrisés par frottement, à condition de les placer sur un support qui les
isole de la terre. Mais, surtout, il découvre deux sortes d'électricité.
Lorsqu'il laisse tomber une feuille d'or très légère sur un tube de verre
qu'il a préalablement frotté, celle-ci rebondit sur le tube pour se stabiliser
en l'air à 15 cm de distance. S'il approche un bâton de résine, la feuille
est attirée et se colle aussitôt à son extrémité. Ces deux électricités, qu'il
qualifie de "vitrée" et "résineuse" s'attirent l'une l'autre, mais se
repoussent lorsqu'elles sont identiques.
Réalisation au lycée :
En 1745, dans la ville hollandaise de
Leyde, un magistrat, Andreas Cuneus, s'amuse à charger une bouteille remplie
d’eau. Il a l'imprudence de poser les doigts sur la tige métallique qui a servi à
électriser le récipient. Il est soudain cloué au sol par une violente douleur qui lui
secoue affreusement le corps.
Elle est formée d'une électrode supérieure constituée de feuilles d'or suspendues à
l'aide d'une chaîne à l'intérieur d'une bouteille en verre. Une deuxième électrode est
une feuille métallique d'étain enveloppant l'extérieur de la bouteille. Reliée à un
générateur (à friction), la bouteille de Leyde peut accumuler des charges
électriques.
On constate aussi, dès 1746, que l'on peut augmenter encore la puissance des décharges :
- en augmentant la surface des feuilles métalliques en contact avec le verre (on construit d'énormes jarres)
- en diminuant l'épaisseur du verre,
- et enfin en groupant les bouteilles en "batteries".
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