Il était une fois, une nouvelle force…

Il y a de cela un peu plus de 100 ans un physicien
américain, Robert Andrews Millikan, publiait les résultats
d’une expérience qui lui valurent le prix Nobel de physique
en 1923. Ces résultats lui ont ainsi permis de déterminer la
charge élémentaire de l’électron qe.
Voici comment son expérience fut réalisée.
Dispositif :
Soient deux plaques métalliques A et B séparées d’une distance d. Grâce à un générateur
on charge positivement la plaque A et négativement la plaque B.
A l’aide d'un pulvérisateur on introduit en O de fines gouttelettes d'huile (liquide choisi en
raison de son évaporation insignifiante). On admet que toutes les gouttelettes ont le même
rayon, donc la même masse et le même poids. On admet également qu'il n'y a pas de
frottement.
Lors de la pulvérisation, ces gouttelettes acquièrent des charges électriques q négatives
par frottement. Ainsi chargées, elles pénètrent en O avec une vitesse initiale négligeable.
Lorsque le générateur est allumé et les plaques
convenablement chargées, il est possible de bloquer en
équilibre une gouttelette entre les deux plaques. (Situation 2)
Si on éteint le générateur les plaques ne sont plus chargées
et la gouttelette se remet à tomber dans un mouvement
accéléré. (Situation 1)
Par ailleurs si on introduit une particule neutre, il est
impossible de la mettre en équilibre.
B
A
d
Pulvérisateur
contenant de
l’huile
Goutte d’huile
O
Il était une fois, une nouvelle force…

1. En utilisant le principe de l’inertie, que peut-on en déduire concernant les forces qui
s'exercent sur la gouttelette dans les deux situations.
Situation 1 : la gouttelette tombe, sa vitesse est non constante donc d'après le principe d'inertie, elle
n'est pas soumise à des forces qui se compensent.
Situation 2 : la gouttelette est immobile, donc d'après le principe d'inertie, elle est soumise à des
forces qui se compensent.
2. Schématiser les forces qui s'exercent sur la goutte d'huile dans chaque situation. On
introduira une force
e
F
, appelée force électrostatique, exercée par les plaques chargées.
3. Préciser ses caractéristiques.
Pour compenser le poids dans la situation 2, la gouttelette doit être soumise à une force de même
direction, de sens opposé et de même valeur que le poids.
4. Rappeler l'expression du poids d’un objet en fonction du champ de pesanteur local.
Comparer la direction et le sens de la force et du champ.
la force P et le champ g ont la même direction et le même sens.
5. Par analogie avec le champ de pesanteur, on peut dire qu'il règne un champ
électrostatique noté
E
à l'intérieur des deux plaques chargées.
5.1. Ecrire la relation qui existe entre la force électrostatique
e
F
, la charge q de la
gouttelette et le champ électrostatique
E
.
5.2. Préciser sa direction et son sens.
q  0 donc a même direction et un sens opposé à . est donc vertical et dirigé vers le
bas.
6. Comparaison des trois champs vectoriels. Compléter le tableau ci-dessous.
Champ de pesanteur
Champ magnétique
Champ électrique
Symbole :
g
Symbole :
B
Symbole :
E
Origine du champ :
masse de la Terre
Origine du champ :
aimants ou courants
Origine du champ :
particules chargée
B
A
d
Goutte
d’huile
Plaques non chargées
Situation 1
B
A
d
Goutte
d’huile
Plaques chargées
Situation 2