TP: champ électrique

TP: champ électrique Notions et contenus

Compétences attendues

Champ électrostatique

I)

Pratiquer une démarche expérimentale pour cartographier un champ magnétique ou électrostatique.

Situation problème

Article de presse : « La foudre blesse deux paysans et tue une vache - Les agriculteurs ont accueilli avec enthousiasme les fortes précipitations qui se sont abattues dernièrement sur l’ensemble du pays. Mais ces intempéries ont aussi engendré des accidents. Ainsi vendredi passé, un paysan et sa femme étaient en train de traire une de leurs vaches lorsque la foudre frappa à l’intérieur de l’étable. La bête fut tuée sur le coup et les deux paysans reçurent une forte décharge électrique. Ils furent évacués vers le secteur sanitaire le plus proche et leurs jours ne sont plus en danger a-ton appris. » L'est républicain > 25/03/07 Par temps orageux, tout le monde sait qu’il peut être dangereux de chercher à s’abriter sous un arbre. Mais ce que l’on sait moins, c’est que les vaches ont plus de chance de mourir lors de cette électrisation qu’un être humain. L'éclair peut être défini comme la manifestation lumineuse de la foudre. Quand la charge du nuage est suffisamment importante pour que le champ électrique dépasse la résistance locale de l'atmosphère, l'éclair jaillit. On peut recevoir la foudre de différentes façons : - Le coup de foudre direct (ciel-sol) ; - Électrisation par contact si l’on touche un corps qui reçoit la foudre ; - Le foudroiement par tension de pas: l'éclair frappe un point du sol et le courant se répartit dans le sol, dans toutes les directions. Plus la résistivité du sol est importante (roche, eau, terre), plus les courants sont intenses et se propagent loin. Problématique C’est le foudroiement par tension de pas qui est à l’origine de la mort de beaucoup de bovins. Pourquoi le foudroiement par tension de pas est-il plus fatal pour les bovins que pour les hommes ? II)

Quelques définitions

1) Potentiel électrique : c’est une grandeur, exprimée en volt (symbole V), définissant l'état électrique d'un point de l'espace. 2) Tension électrique : une tension électrique exprime la différence de potentiel électrique entre 2 points d'un circuit. On l’exprime en volt et on la mesure avec un voltmètre. Exemple : entre les points M et N, on a : UMN = VM-VN Si l’on choisit un potentiel nul en un point relié à la borne COM du voltmètre, la tension affichée sera égale au potentiel électrique du point relié à la borne V. 3) Surface équipotentielle : ensemble de points qui possèdent le même potentiel électrique.

III)

Protocole

 Verser la solution de sulfate de cuivre dans la cuve rhéographique (jusqu’à avoir environ 1cm d’épaisseur pour la solution)  Effectuer les raccordements électriques du montage schématisé ci-contre.  Soit N le point de la plaque relié au pôle moins du générateur. On choisira ce point comme référence des potentiels ainsi VN = 0V.  Déplacer la sonde correspondant au point M sur la surface de la plaque de cuivre reliée au pôle moins du générateur. Constate-t-on une variation de la tension lue par le voltmètre ? Peut-on dire que cette plaque constitue une équipotentielle ?  Déplacer la sonde sur la surface de la plaque de cuivre reliée au pôle + du générateur. Constate-t-on une

variation de la tension lue par le voltmètre ? Peut-on dire que cette plaque constitue une équipotentielle ?  Mesurer la valeur de la tension UMN pour les différentes positions du point M.

x en cm 2 4 6 8 IV)

y en cm -4

-2

0

2

4

Exploitation des résultats

1) Tracé des équipotentielles

Sur la fiche matériel, tracer les droites reliant les points ayant la même tension mesurée. Ce sont les équipotentielles. 2) Forme des lignes de champ

a) Sachant que les lignes de champ sont partout perpendiculaires aux équipotentielles, représenter, sur la fiche matériel l’allure des lignes de champ entre les plaques métalliques. b) Sachant que les lignes de champ sont orientées des potentiels élevés vers les potentiels plus faibles, orienter les lignes de champ tracées à la question précédente. c) Sachant que les lignes de champ donnent la direction et le sens du champ électrostatique, déduire la direction et le sens du vecteur représentant le champ électrostatique entre les deux plaques. 3) Valeur du champ électrique

La valeur du champ électrostatique E (en V.m-1) entre les armatures se détermine, en tout point d’abscisse x (en m), par la relation:

Où U est la tension mesurée (en V) quand la sonde est au point d’abscisse x. Calculer la valeur du champ en différents points de mesure. Que constate-t-on ?

V)

Conclusion

1) Un condensateur plan est un composant utilisé en électronique. Il est constitué de deux armatures métalliques planes et parallèles. Comment peut-on décrire le champ électrostatique qui règne entre les deux armatures d’un condensateur plan ? 2) Pourquoi les bovins ont plus de chance de mourir par foudroiement par tension de pas qu’un être humain ? Fiche matériel :