Des faisceaux cathodiques à l`induction magnétique

AP approfondissement physique 1 :
Des faisceaux cathodiques à l’induction magnétique…
Rebond suite à l’expérience de Rutherford : réalisation de faisceaux de petites particules.
I – Rappel de l’expérience de Rutherford
Un faisceau de noyaux d’hélium était réalisé pour passer à travers une mince feuille d’or et établir
(après deux ans de réflexion) une description lacunaire de la matière au niveau microscopique.
(99,99 % de la matière, en l’occurrence le noyau, concentré dans 0,001 % de l’espace occupé par
l’atome. 99, 99 % de l’espace étant donc constitué essentiellement de vide… avec de temps en
temps un électron qui passe…)
Présentation des schémas de l’expérience + discussion
C’est l’aspect technique de l’expérience qui nous intéresse : comment obtenir des faisceaux de
particules microscopiques ?
L’expérience de Rutherford propose un faisceau de noyaux d’hélium…
… Nous allons réaliser des faisceaux d’électrons.
II- Faisceaux cathodiques
Nous allons nous intéresser à l’obtention de faisceaux d’électrons, appelés communément
« faisceaux cathodiques »
a - 1ère expérience :
Nous avons à notre de disposition :
- des « bobines de Ruhmkorff » permettant d’obtenir une très haute tension électrique, c’est à
dire une très grande différence de potentiel électrique (ces deux termes devront être
commentés). On pourra tenter de prolonger avec la notion de champ et de force
électriques…
10000 V par cm !
Un arc électrique est observé entre les deux pointes. (qui ont été préalablement rapprochées). On
n’oublie pas de souligner leur parcours chaotique d’une pointe à l’autre.
Explication :
L’air est un bon isolant, particulièrement s’il est sec, bien qu’il contienne environ 300 ions par centimètre
cube. Néanmoins, si assez de charges négatives s’accumulent sur un corps, les électrons peuvent être
expulsés dans l’air ambiant, sous l’action de leur répulsion mutuelle. L’air perdant certains de ses électrons,
deviendra ionisé. La charge du corps s’écoule le long de certains chemins qui, ainsi, deviennent
provisoirement conducteurs. Les collisions avec le gaz augmentent sa température et excitent certains de ses
atomes, qui émettent alors de la lumière. Le résultat est l’étincelle, l’arc électrique, l’éclair le long du trajet
de la charge.
On n’oublie pas de reprendre l’expérience en intercalant une feuille de papier qui se perce
instantanément et qui prend facilement feu si on la laisse plus longtemps subir le passage de l’arc…
-
Nous disposons maintenant d’un tube scellé contenant un gaz sous pression très très faible,
la densité de population en molécules est très faible… (1)
Branchons le tube aux bornes des bobines et observons…
Un faisceau droit !
(plutôt : la trace laissée par le faisceau…)
Première énigme : Pourquoi le faisceau est-il désordonné entre les deux pointes des bobines de
Ruhmkorff et droit à l’intérieur de l’ampoule ?
b - Comment prouver que ce sont bien des électrons qui circulent ? (dans la mesure où, en
classe de seconde l’on ne connaît pas d’autres particules élémentaires chargées négativement…)
On complète l’expérience à l’aide de plaques horizontales aux bornes desquelles une fortes
tension électrique a été imposée. Le faisceau créé va passer entre ces deux plaques.
Qu’observe-t-on ? : (schéma à réaliser, merci)
Deuxième énigme : A-t-on prouvé que des électrons étaient les constituants du faisceau
observé ?
c – D’où vient la couleur du faisceau ????
Il semble acceptable que la trace observée résulte de l’interaction d’électrons avec les molécules ou
atomes de gaz présent dans le tube. L’électrons percute un atome et lui communique de l’énergie.
L’atome se trouve ainsi perturbé et va retourner dans un état le plus stable possible en restituant
cette énergie.
Sous quelle forme cette énergie est-elle restituée ? SOUS FORME DE LUMIÈRE !
Parenthèse : film « O2 singulet » + discussion
Remarque : fluorescence ou phosphorescence ?
On se contentera de « luminescent » !
« … une entité chimique est luminescente si elle émet un rayonnement après avoir été excitée par un apport
d’énergie. (…) Traditionnellement, la luminescence qui diminue rapidement est appelée « fluorescence » et
la luminescence qui persiste lorsque l’apport d’énergie extérieure cesse est appelée « phosphorescence ».
Mais comme la durée de vie n’est pas un critère fiable, les définitions modernes des deux sortes de
luminescence sont fondées sur des mécanismes différents pour ces processus… Si nous devions commencer à
détailler ces mécanismes, nous dépasserions trop largement les connaissances d’un élève de classe de 2nde,
alors nous en resterons là…
Le bleu du ciel peut être considéré comme une sorte de fluorescence,
Les bracelets de fête qui restent éclairés « un certain temps… » fonctionnent plutôt sur la base d’un
mécanisme de phosphorescence..
d – Explication de l’obtention d’un faisceau d’électrons
Projection de l’image « rayonscath.jpg » + discussion.
Remarques :
- on pourra développer le fait que si l’on perce la cathode, on peut réaliser un faisceau de
particules positives… On retrouve ainsi le principe du dispositif de l’expérience de Rutherford.)
- C’est donc ici qu’est donnée l’explication de la dénomination : « faisceau cathodique »
e - Expériences supplémentaires.
« le moulin », « la trace luminescente sur le verre », « le papillon multicolore »
f – Danger : rayons X !!
(discussion)
Ne vous mettez pas trop près des (anciens) postes de télévision !
III Comment obtient-on la haute tension nécessaire à l’obtention des faisceaux cathodiques ?
(les bobines de Ruhmkorff)
- Les sources HT nécessaires, le fonctionnement des bobines de Ruhmkorff, en amont : le
principe du transformateur, en amont : l’induction électromagnétique, … la machine de Gramme.
Réalisation et présentation d’expériences.
a – Un lien fort existe entre magnétisme et électricité
Le monde électrique le plus immédiat est celui des circuits électriques (des électrons circulent dans
des solides conducteurs)
Le monde magnétique le plus immédiat : les aimants, le champ magnétique terrestre.
Expérience d’influence d’un aimant sur des petites tiges métalliques : elle prennent chacune
une position particulière, elle s’oriente selon des directions privilégiées l’espace autour de l’aimant
est manifestement perturbé, on modélise cette perturbation en considérant que l’aimant crée autour
de lui un champ magnétique. On peu même considérer des « lignes de champs ».
On sera probablement à avoir une vision précise du champ à l’aide d’une grandeur vectorielle…
Schémas (expérience avec un aimant droit, puis avec un aimant en U)
(On dispose d’un teslamètre, qui mesure les champs magnétiques)
Expériences montrant un lien entre les deux domaines (magnétisme et électricité) :
Aiguille aimantée ou teslamètre au voisinage d’un circuit parcouru par un courant…
(plusieurs expériences possibles)
Que constate-t-on ?
L’aiguille aimantée est manifestement soumise à un champ
magnétique nouveau lorsque le courant circule dans le circuit placé à proximité. (confirmation au
teslamètre qui permet d’affiner la direction du champ produit)
Donc : Un circuit électrique parcouru par du courant génère un champ magnétique à proximité.
On peut aussi constater l’intensité que peut prendre ce phénomène en essayant de désolidariser un
noyau de fer refermé sur lui même et entouré de deux bobines parcourues par du courant. Un circuit
en forme de bobine semble donc très performant pour la création de lignes de champs peu
dispersées…
(schéma)
b- la machine de Gramme …
Vous l’avez vue en fonctionnement, selon deux modes :
- la bobine électrique qui la constitue, placée dans un fort champ magnétique, est parcourue par un
courant :
mise en rotation spontanée de la manivelle solidaire de la bobine. Ce mouvement est le résultat du
passage de courant électrique dans un circuit placé dans un champ magnétique.
La bobine est simplement reliée à une ampoule électrique. La manivelle est mise en rotation
manuellement : la lampe s’allume, du courant électrique est donc produit dans la bobine. Il est le
résultat du mouvement d’un circuit conducteur dans un champ magnétique.
On note que dans ces deux expériences, la direction du courant électrique et celle du mouvement
mécanique de la bobine sont perpendiculaires entre elles et qu’elles sont par ailleurs toutes les deux
perpendiculaires à la direction du champ magnétique imposé sur la bobine.
c- Le transformateur
Mots clés : induction, couplage, primaire, secondaire, flux, perméabilité.
Expériences et mesures diverses (une alimentation alternative, des bobines un circuit de fer doux
des multimètres…)
Schéma de l’expérience à réaliser
On note que l’on obtient d’une tension électrique (en V) aux bornes de l’enroulement secondaire
alors qu’il n’est pas relié électriquement au générateur. Que se passe-t-il ?
Discussions :
- rôle du noyau de fer (essayer sans…)
- Nécessité d’une source de tension variable (essayer avec une tension continue…)
- rôle du nombre de spires dans les 2 enroulements (rôle du rapport N1/N2)
- Le transformateur dévolteur à N1/N2 grand + l’effet Joule : applications.
(applications dans la vie courante, différentes formes et positions
des deux enroulements l’un par rapport à l’autre, …)
- Le transformateur survolteur à N1/N2 petit … les bobines de Ruhmkorff,
les bougies d’allumage…
(impulsions 12V à 20kV)
d - Les bobines de Rhumkorff
La bobine de Ruhmkorff est un générateur électrique permettant d'obtenir des tensions très élevées
(plusieurs milliers ou dizaines de milliers de volts) à partir d'une source de courant continu. Elle a
été conçue vers 1850 par Heinrich Daniel Ruhmkorff mécanicien de précision parisien d'origine
allemande. Auparavant Charles Grafton Page aux États-Unis et Antoine Masson en France avaient
réalisé des appareils similaires. Ruhmkorff apporta à la bobine de Masson les perfectionnements
nécessaires pour répondre aux besoins, à la fois du milieu médical et des physiciens, d'une source
de courants à très haute tension.
Fonctionnement
Le principe de la bobine de Ruhmkorff est celui d'un transformateur élévateur de tension constitué
d'un enroulement primaire P et d'un enroulement secondaire S. Le primaire est constitué de
quelques dizaines de spires de fil de cuivre isolé d'un diamètre assez gros (de l'ordre du millimètre)
tandis que le secondaire est constitué de plusieurs dizaines voire centaines de milliers de tours de fil
très fin (quelques dixièmes de mm). Les deux enroulements sont bobinés autour d'un noyau
magnétique N constitué de fils de fer doux réunis en faisceau. Le fait de diviser le noyau permet de
limiter les pertes fer par courants de Foucault. Les spires de l'enroulement secondaire doivent être
soigneusement isolées entre elles pour éviter le claquage de l'enroulement par surtension suivi de la
destruction de l'isolation des spires et formation d'un court-circuit.
Si l'enroulement primaire P est parcouru par un courant variable, la variation de champ induit dans
l'enroulement secondaire S une tension dont la valeur est proportionnelle au rapport du nombre de
spires de S par le nombre de spires de P. Ce rapport de transformation est très grand pour la bobine
de Ruhmkorff, ce qui permet d'obtenir des tensions de plusieurs kilovolts. C'est à la coupure du
courant (ouverture du circuit primaire) que la tension induite est la plus élevée et produit une
étincelle entre les bornes sphériques de l'éclateur Ec.
La formation de l'étincelle se traduit par la formation dans le circuit d'une série d'oscillations
électriques amorties dont la période fut calculée en 1853 par William Thomson. Cette décharge
oscillatoire s'accompagne de l'émission d'ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation
produisant sur son passage une variation réversible de propriétés...) électromagnétiques amorties
qui furent étudiées par Hertz en 1887.
Le trembleur
Pour produire des étincelles en permanence il a suffit à Ruhmkorff de découper le courant circulant
dans l'enroulement primaire à l'aide d'un trembleur, un système interrupteur mis au point (Graphie)
par l'Allemand Christian Ernst Neef. Le principe est le même que celui de la sonnette électromagnétique :
* premier temps : le courant fourni par l'accumulateur accu passe par le contact c et traverse la
bobine P.
* deuxième temps : un champ magnétique se forme dans le noyau qui se comporte alors comme
un aimant et attire la palette magnétique m fixée à l'extrémité d'une lame-ressort r fixée au point o.
* troisième temps : la lame ressort s'écarte du contact C et la circulation du courant dans le
primaire s'interrompt brutalement. L'étincelle de l'extra-courant de rupture est absorbée par le
condensateur. Le champ magnétique dans le noyau disparaît.
* quatrième temps : la palette m n'est plus attirée par le noyau, la lame-ressort r revient en contact
avec c, le courant peut passer à nouveau.
Le temps séparant deux coupures du circuit est appelé période de découpage. Il dépend de
nombreux paramètres (attraction du noyau, raideur du ressort...) et peut être ajusté à l'aide de la vis
de réglage V. Il est de l'ordre de la milliseconde, ce qui correspond à une fréquence de découpage
de 1000 Hertz.
L'ajout du condensateur aux bornes du contact C a été proposé en 1853 par Hippolyte Fizeau.
(Armand Hippolyte Louis Fizeau (1819-1896) est un physicien français qui travailla notamment sur
la lumière.)
Les principes décrits ici sont ceux utilisés par la bobine d'allumage d'un moteur
à explosion pour produire l'étincelle au niveau des bougies d'allumage.