Ballon électrostatique

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Article incomplet en cours de rédaction
La vidéo "Ballon électrostatique"

Sommaire

Présentation de l'expérience

Un ballon qui attire le papier ?

Matériel

L'expérience

La manipulation

  • Découper avec les ciseaux des petits morceaux de papier.
  • Gonfler le ballon et nouer l'embouchure pour le fermer.
  • Frotter une partie du ballon sur des cheveux.
  • Approcher le ballon des morceaux de papier.

Que voit-on ?

Les morceaux de papier se collent à la partie du ballon qui a été frottée.

Explications

De manière simple

En frottant le ballon avec les cheveux, on le charge en électricité statique. Lorsqu’on l’approche des morceaux de papier, ceux-ci se chargent légèrement et il se crée une force dite électrostatique. Les deux objets s’attirent.

Allons plus loin dans l'explication

Coulomb, physicien français (1736 – 1806), a démontré que la présence de deux corps chargés provoque l’apparition de forces attractives ou répulsives selon le signe de leurs charges q. Cette force F est inversement proportionnelle à la distance r qui les sépare au carré :

Image:Ballonélectro_formule1.jpg

Sur la figure suivante, on peut se rendre compte que la force d’attraction diminue rapidement avec l’éloignement. Plus l’éloignement est important, plus il faut arracher d’électrons pour pouvoir soulever un bout de papier.

Image:Ballonélectro_graph1.jpg

L’attraction exercée par un proton sur un électron éloigné de 5 mm dans les conditions idéales est de :
F = 9,2.10^-24 N

Si on veut soulever un bout de papier de 10 mg avec ce procédé, soit vaincre un poids de 0,098 N, il faudra donc arracher environ 10 700 000 000 000 000 000 000 électrons du ballon !

Le passage répété des cheveux sur le ballon de baudruche arrache des électrons aux atomes situés à la surface de celui-ci. Les électrons étant des charges négatives, cet endroit du ballon devient chargé positivement. Les cheveux ayant perdu des électrons sont alors chargés positivement à leur surface.


En revanche, le papier n’est pas chargé. Il est dit électriquement neutre.

Pourquoi le papier est-il attiré par le ballon frotté ?

En effet, la force dont parle Coulomb ne s’applique que pour deux objets chargés. Or ce n’est pas le cas ici car le papier est resté électriquement neutre.

En fait, le fait d’approcher une source de charge positive de la feuille a tendance à la polariser. C’est-à-dire qu’il y a d’infimes migrations de charges des atomes (les électrons essentiellement) vers la face opposée au ballon. La feuille se retrouve alors avec une face de charge opposée à celle du ballon et elle est donc attirée par le ballon.

Image:Ballonélectro_pct1.jpg

Pourquoi seuls les électrons sont-ils arrachés ?

Pour bien visualiser le problème, prenons l’exemple de l’atome d’hydrogène. Il est constitué d’un noyau et d’un électron qui gravite autour (dans le cas général un atome, à l’état stable, possède autant de protons que d’électrons). Pour simplifier la représentation, nous représentons l’orbite de l’électron comme circulaire.

Image:Ballonélectro_pct2.jpg

L’électron est assez éloigné du noyau. Les forces qui l’empêchent de sortir de son orbite diminuent avec sa distance au noyau. De plus, il existe une autre force appelée interaction forte qui assure la cohésion du noyau. En effet, le noyau d’un atome est composé de particules neutres et de particules positives. Les particules positives se repoussent entre elles d’après la loi de Coulomb. C’est cette interaction forte qui empêche les protons de s’éloigner. Donc le noyau est très difficile à « casser ». En revanche, l’électron n’oppose presque pas de résistance. Et le simple passage des cheveux permet de l’extraire de son atome.

Image:Ballonélectro_pct3.jpg

En réalité, seuls les électrons de la couche externe, c’est-à-dire les plus éloignés du noyau, peuvent être « arrachés » (les atomes répartissent les électrons sur différentes couches). On dit alors que l’on a ionisé l’atome.

Image:Ballonélectro_pct4.jpg

Concepts scientifiques associés

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