M Mégavo olts et kiloam mpères – – l`hist oire d` un

P
Présentati
ion M
Mégavo
olts et kiloam
mpères –
– l’histoire d’un éclaair Atttention: Lees expérieences réaliisées danss le cadre de cette p
présentatiion peuvent perturb
ber les appareils électroniq
ques senssibles. Les visiteurs d
dotés d’un
n pacemaker ou d’aautres imp
plants élecctroniquess sont priéés de se placer derrrière la lign
ne rouge eet de consserver unee disttance min
nimale de 6 mètres aavec le bo
ord de la scène. C
Certaines expériencces dégagent un bru
uit très fort. Veuilleez donc vo
ous boucheer lees oreilless quand cee signal lumineux s’allume. Le généraateur Van
n‐de‐Graafff Le génératteur Van‐dee‐Graaff gén
nère un courant continu haute tenssion d’environ 500'000 volts. Cette
e tension esst transmise à une courrroie synthéttique à l’aid
de d’un peiggne métallique
e. Cette dern
nière transp
porte les ch
harges vers le haut à l’inttérieur d’un
ne sphère m
métallique crreuse. Les cchar‐
ges passen
nt par l’entremise d’une tige dans la sphère m
mé‐
tallique et – en raison
n de la répullsion récipro
oque de charges du même ssigne – sur la surface eexterne de laa sphère, cee qui perm
met une traansmission continuelle des chargees. Par le fon
nctionnemeent du mécaanisme – le
e transport constant vers le haut – la d
différence d
de tension n
ne cesse de
e s’accroîtree dans le glo
obe. Ce p
processus ne s’interrom
mpt qu’au m
moment où une décharge (compeensation de charge avec l’environn
ne‐
men
nt) se produ
uit à traverss l’air (mauvvais conducteur électrique). Dès q
que l’on se rrapproche d
de la sphèree avec un o
objet relié àà la terre, la charge est libérée sou
us la forme d’un arc éleectrique. Si l’air est secc, l’arc électtrique peu
ut atteindre 50 cm ce qui correspo
ond à une teension théo
orique de 50
00'000 voltss. Si une aiguille en métal est approchée de la sphèrre métalliqu
ue, les tensions se déplacent en direction de l’aiguille, caar elles s’éco
oul‐
ent plus facilem
ment vers lees objets dee forme poin
ntue. Si laa charge de la sphère m
métallique eest transmisse sur le corrps d’un êtrre humain, eelle se répartit sur l’ensem‐
ble de la surfacce, y compris celle de cchacun des cheveux. Laa répulsion réciproque des charge
es provoquee un effeet qui fait litttéralementt «dresser lees cheveux sur la tête»
». Tech
hnoramastraasse 1, CH‐84
404 Winterth
hur Tel. +41 (0)52 24
44 08 44, Faxx +41 (0)52 2
244 08 45 info@
@technoram
ma.ch, www..technoramaa.ch © Swiss Scieence Center Technoramaa, Edition 07/2010, Modiffications réservées
Qu’est‐ce que le Plasma? Lorsque les atomes et les molécules d’un gaz perdent leurs électrons sous l’influence, par exemple, de très hautes tensions et se transforment en ions (ionisation), les ions et les électrons deviennent des porteurs de charge, qui permettent à un courant de s’écouler. Cet état d’un gaz est appelé Plasma. Les étoiles sont constituées de plasma et, sur la Terre, nous trouvons le plasma dans les tubes fluorescents, les aurores boréales et les éclairs. Avant que la tension ne puisse se décharger à l’intérieur d’un nuage d’orage ou entre le nuage et le sol, des décharges partielles presque invisibles créent un canal d’air ionisé. Ce n’est que lorsqu’un canal complet s’est formé que la décharge principale se produit. Le plasma lumines‐
cent devient ainsi visible sous forme d’éclair. Quand de forts courants s’écoulent sous forme de plasma dans un canal à éclair, un important champ mag‐
nétique se forme également. Il retient les molécules de gaz ionisées. Cette enveloppe magnétique et les hautes températures créent une pression extrêmement élevée. Si le courant chute et, en conséquence, le champ magnétique, l’air se décharge de manière soudaine avec un coup de tonnerre. Machine de Wimshurst (machine à influence) Chaque corps porte des charges positives et négatives. Si les deux charges sont de même grandeur et régulièrement réparties, le corps est électriquement neutre. De faibles écarts peuvent conduire à des déplacements de charge, car les charges de même signe se repoussent alors que des charges de signe différent s’attirent. Ainsi, si un objet à faible charge positive est approché d’un autre corps, les charges se séparent dans l’espace – les négatives se déplac‐
ent vers l’objet alors que les positives migrent vers le coté opposé. Cette forme de séparation des charges est appelée influence. Dans la machine de Wimshurst, les deux disques de verre dotés de bandes métalliques collées tournent en sens contraire. En passant sur les bandes métalliques, les petites irrégularités dans la répartition des charges sont accentuées par influence et les excès de charge respectifs recueillis par des peignes métalliques et stockés dans des bouteilles de Leyde. Comme pour le générateur Van‐de‐Graaff, le mécanisme de mouve‐
ment rotatif est à l’origine de l’augmentation de la tension. Les charges ainsi séparées sont collectées sur deux sphères et lorsque les quantités de charges sont suffisan‐
tes (= tension) une étincelle jaillit entre les deux sphères métalliques. Dans des conditions idéales, il serait possible d’atteindre avec la machine présentée une tension de 700'000 volts ou des éclairs d’une longueur de 70 cm. Autrefois, les machines de Wimshurst étaient utilisées pour faire fonctionner les tubes à rayon X. Avec un diamètre supérieur à deux mètres, il s’agit de la plus grande machine de Wimshurst au monde. Vaporisation d’un fil métallique Lorsque le courant passe à travers le filament d’une lampe à incandescence, il s’échauffe en raison de sa résistance et commence à rougir. Cette expérience illustre le même phé‐
nomène avec un fil de cuivre, une tension 20 fois plus forte et un courant environ 2’000 fois plus élevé. Si l’accumulateur électrique (condensateur) est très rapide‐
ment déchargé par l’entremise du fil de cuivre, ce dernier est soudainement chargé si fortement de courant électrique qu’il se vaporise avec une détonation en moins d’un millième de seconde. La tension (4500 volts) donne une information sur l’énergie de chaque électron. L’intensité du courant (presque 1000 A) indique le nombre d’électrons mis en mouvement par la tension qui passe à travers le fil. La détonation se produit quant à elle par l’échauffement de l’air et son expansion ultrarapide. En d’autres termes : le plasma émet de la lumière. Réduire une cannette en miettes Un fort courant passe à travers une bobine en cuivre épais. Ce courant provoque un champ électrique et magnétique tout autour de la bobine. Si une canette en aluminium est déposée à l’intérieur de la bobine, un courant est également produit (induit) dans la paroi de la cannette par le champ électromagnétique de la bobine. Ce courant produit un nouveau champ magnétique, qui possède la direction opposée au champ magnétique de la bobine. Dans l’interaction des forces qui se repoussent, l’élément le plus faible cède – la cannette de boisson est instantanément réduite en miettes. La boule de plasma Même si elles ont été déjà été décrites à de nombreuses reprises, les boules de feu demeurent encore un phéno‐
mène inexpliqué pour la science, dont on ne sait même pas s’il existe réellement. Nous proposons une tentative d’expli‐
cation, par laquelle nous simulons l’impact d’un éclair dans un sol humide. Une première électrode circulaire est placée sur le fond d’un récipient rempli d’eau, une seconde électro‐
de est disposée dans un récipient en porcelaine directement au‐dessus de la surface de l’eau. Lors de la décharge, il se forme pendant un quart de seconde un nuage sphérique de plasma au‐dessus de l’eau – une boule de feu ? La bobine Tesla La bobine Tesla permet d’atteindre des tensions très éle‐
vées pour un courant alternatif. Pendant ce processus, la polarité du courant change jusqu’à 140'000 fois par secon‐
de. Les tensions élevées ionisent l’air et permettent de très longues décharges. Pour la bobine Tesla du Technorama, la tension dépasse 1,2 million de volts et la longueur des «éclairs» peut atteindre trois mètres. Le bruit est provoqué par l’échauffement du plasma et les variations de pression qu’il provoque dans l’air. Les animateurs en cotes de mailles et les visiteurs dans la cage de fils métalliques peuvent cependant capturer sans aucun danger les décharges avec leurs gants en cotes de mailles. Car les charges et les champs électriques ne pénè‐
trent pas dans la cage, mais restent toujours à l’extérieur. De telles cages s’appellent cages de Faraday, du nom du physicien qui a le premier décrit le phénomène, Michael Faraday. Si l’animateur tient un tube fluorescent dans la main, celui‐commence à s’illuminer comme par magie, car la haute tension ionise toutes les molécules de gaz dans le tube et produit du plasma. La bobine Tesla chantante Cette petite bobine Tesla fait de la musique. Les décharges échauffent l’air, qui se dilate brusquement. Nous percevons cette variation de pression atmosphérique sous forme de bruit. Un haut‐parleur réalise de telles variations de pres‐
sion à l’aide des vibrations de sa membrane. Si la membra‐
ne vibre par exemple 500 fois par seconde, elle produit un son de 500 Hertz. Il en va de même du chant de la bobine Tesla, si elle est mise en marche et éteinte 500 fois par seconde. Des décharges isolées se déroulent à la même fréquence. Les étincelles se comportent donc exactement comme les membranes d’un haut‐parleur et émettent des sons. D’ailleurs: Les fans de hi‐fi ne jurent que par le Plasma Tweeter (haut‐parleur conçu pour reproduire les fréquences élevées), car le plasma oscillant a une inertie très faible et peut ainsi restituer les sons à haute fréquence avec une très grande fidélité.