Différences entre les pages « Circuit parallèle et en série » et « Ballon electrostatique »

Version du 23 mars 2020 à 16:30

Ballon magique

Auteur Antoine Zabern | Dernière modification 8/05/2020 par Bolido

Ballon électrostatique 51543342 235964894021122 116401379022471168 n.jpg

Difficulté

Facile

Durée

15 minute(s)

Disciplines scientifiques

Electricité, Physique

Ballon magique

Difficulté

Facile

Durée

15 minute(s)

Disciplines scientifiques

Electricité, Physique

Licence : Attribution (CC-BY)

Introduction

Un ballon qui attire le papier ?

Matériel et outils

Étape 1 - Découper

Découper avec les ciseaux des petits morceaux de papier.

Ballon électrostatique 51381329 385903972236885 2013030710411001856 n.jpg

Étape 2 - Gonfler

Gonfler le ballon et nouer l'embouchure pour le fermer.

Ballon électrostatique 51800988 618253201966289 6218884800887914496 n.jpg

Étape 3 - Frotter

Frotter une partie du ballon sur des cheveux.

Ballon électrostatique 51540157 305056523408101 1474881822302142464 n.jpg

Étape 4 - Approcher

Approcher le ballon des morceaux de papier.

Ballon électrostatique 51672127 2270079809899465 8307410058426187776 n.jpg

Étape 5 - Resultat

Les petits papier se colle

Ballon électrostatique 51421995 403493213557959 4242381756537241600 n.jpg

Comment ça marche ?

Observations : 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.

Plus d'explications

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 :

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.

Si on veut soulever un bout de papier de 10 mg avec ce procédé, 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.

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.

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.

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.

Applications : dans la vie de tous les jours

Sensation de picotement au moment de retirer un pull en laine.

Dernière modification 8/05/2020 par user:Bolido.

Commentaires

Draft

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 {{Tuto Details
+|Main_Picture=Ballon_électrostatique_51543342_235964894021122_116401379022471168_n.jpg
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-|Description=Que se passe-t-il si on branche des composants électroniques de différentes façons ?
+|Description=Ballon magique
-|Disciplines scientifiques=Physics
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-|Tags=tension electrique, circuits électriques, circuits en série, circuits en parallèle, électicité
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 {{Introduction
-|Introduction=On réalise deux circuits au montage différent. C'est à dire :
+|Introduction=Un ballon qui attire le papier ?
-* En série : si les composants se suivent
-* En parallèle : si les composants sont reliés aux mêmes endroits.
 }}
 {{Materials
 |ItemList={{ItemList
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-|Item=Ampoule
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-|Item=Fil électrique
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+|Step_Content=Découper avec les ciseaux des petits morceaux de papier.
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 {{Tuto Step
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-|Step_Content=* 2 LED
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-* 2 petites ampoules
-* Des fils électriques
-* Une pile
-* 2 interrupteurs
-* 2 petits moteurs électriques (pouvant être alimentés par la pile)
-* Un voltmètre ou multimètre (facultatif)
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-|Step_Content=''Le but est d'avoir les 2 LED qui se suivent : elles sont branchées en série''.
+|Step_Content=Frotter une partie du ballon sur des cheveux.
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-* Avec les fils électriques, relier la borne + de la pile à l'anode de la première LED (la patte la plus longue, la borne positive)
-* Relier la cathode (la petite patte, la borne négative) à l'anode de la seconde LED
-* Relier la cathode de la seconde LED à la borne - de la pile, comme sur ce schéma.
-* Observer.
-* Refaire le même branchement avec tous les composants branchés en série dans le même circuit, et observer.
-|Step_Picture_00=Circuit_parall_le_et_en_s_rie_S_rie.png
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-* Avec les fils électriques, relier la borne + aux 2 anodes : les pattes les plus longues des LED doivent être reliées au même fil.
-* de même pour les cathodes : elles doivent être reliées par le même fil à la borne - , comme sur ce schéma.
-* Observer.
-* Refaire le même branchement avec tous les composants branchés en parallèle dans le même circuit, et observer.
-|Step_Picture_00=Circuit_parall_le_et_en_s_rie_parall_le.png
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 {{Tuto Step
-|Step_Title=Si l'on dispose d'un voltmètre/multimètre
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-|Step_Content=Mesurer les différences de tension électrique selon le montage. Pour cela, relier :
+|Step_Content=Les petits papier se colle
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+}}
+{{Notes
+|Observations=Les morceaux de papier se collent à la partie du ballon qui a été frottée.
+|Explanations==== 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.
+|Deepen====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 :
-* la borne rouge (c'est à dire + ou V) du multimètre/voltmètre à	l'endroit du circuit d'où arrive le courant ;
+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.<center></center>Si on veut soulever un bout de papier de 10 mg avec ce procédé, il faudra donc arracher environ 10 700 000 000 000 000 000 000 électrons du ballon !
-* la borne noire (COM) du multimètre/voltmètre à l'endroit où part le courant.
-Par exemple, pour vérifier une pile, on branche la borne V à la borne + de la pile et COM au -. Pour une LED, on reliera l'anode à la borne V et la cathode à la COM
+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.
-}}
-{{Notes
-|Observations=On constate que certains composants, comme les LED, ne fonctionnent pas du tout s’ils sont branchés en série. D’autres composants, comme ici les ampoules et les moteurs, fonctionnent bien lorsqu’ils sont branchés en parallèle, mais moins bien en série. Dans un circuit en parallèle, tous les composants fonctionnent normalement, sauf les interrupteurs : lorsque l'un est fermé, l'autre ne sert à rien.
-|Explanations=Dans un circuit en série, chaque composant utilise une partie de la tension électrique, un peu comme si les composants se « partageaient » l’électricité. Donc plus il y a de composants dans le circuit, moins chaque composant reçoit d’électricité pour fonctionner. Certains composants ont besoin d’une tension minimale pour fonctionner, comme les LED. Si les autres composants consomment trop d’électricité, il n’en reste plus suffisamment pour les LED, et elles ne s’allument pas.
-Cela fonctionne un peu à la façon d'une rivière, qui sera plus puissante au début de sa course et moins en fin (comme pour un branchement en série), alors que si on divise la rivière en deux, il y aura autant de force de chaque côté (comme pour un branchement en parallèle).
+En revanche, le papier n’est pas chargé. Il est dit électriquement neutre.
-|Deepen=Lorsqu'un circuit est branché en parallèle, la tension est la même dans les 2 parties : les composants fonctionnent avec la même tension et ont un fonctionnement normal. Ainsi, les moteurs tournent à la même vitesse et les ampoules éclairent normalement. Par contre, les interrupteurs sont inefficaces : si le courant passe par l'un des interrupteurs (donc s'il est fermé), le second interrupteur ne change rien.
+Pourquoi le papier est-il attiré par le ballon frotté ?
-Par contre, si le circuit est en série, la tension est répartie entre tous les composants du circuit. Plus on branche de composants en série, plus la tension qui alimente chacun des composants est faible. Les moteurs tournent donc moins vite (voire ne tournent pas), les ampoules éclairent très peu et les LED ne s'allument pas. Les LED ont besoin d'une tension minimale à leur borne : si elles reçoivent une tension inférieure, elles ne s'allument pas du tout.
+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.
-Ces observations illustrent les lois de la tension. En série, la loi d’additivité de la tension s’applique, tandis qu’en parallèle, c’est la loi d’unicité de la tension qui s’applique. Cela se traduit ainsi :
+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.
-* dans un branchement en série, la tension du générateur (ici la pile) est égale à la somme des tensions des dipôles (chaque composant),
+Pourquoi seuls les électrons sont-ils arrachés ?
-* dans un branchement en dérivation (c’est à dire en parallèle), la tension du générateur est identique à celle des dipôles.
-|Applications=On trouve des applications de montages en série ou en parallèle dans de nombreux domaines. Par exemple, brancher deux interrupteurs en série crée un système de va-et-vient. Interdit aujourd'hui, le système d'interrupteurs en va-et-vient fut très utilisé dans la construction. Autre exemple : dans les éclairages, on branche les lumières en parallèle afin de ne pas diviser la tension de la source entre toutes les lampes, pour obtenir un éclairage aussi puissant pour chaque lampe.
-<br />
+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.
-|Related=* [http://www.wikidebrouillard.org/index.php/Animation_sur_les_résistances Animation sur les résistances]
-* [http://wikidebrouillard.org/index.php/Squichy_circuits Squichy circuits]
-|Objectives=* Comparer l’intensité électrique dans un circuit en parallèle et en série.
-* Comprendre l’influence du type de montage sur la tension électrique et le fonctionnement des composants.
-* Conclure sur l’intérêt des deux types de montage en fonction des applications.
-|Animation=Cette expérience peut être réalisée avec un groupe ayant déjà vu les notions de bases sur le circuit électrique (fonctionnement et rôle du générateur, des dipôles, circuit ouvert ou fermé, court-circuit), qu’elle viendra compléter. On peut la proposer de différentes façons. Par exemple l’animateur peut réaliser avant le début de l’animation un circuit en série et un autre en parallèle avec quelques composants, et demander aux participants de reproduire des circuits similaires en utilisant une liste plus longue de composants, puis d’observer et d’analyser les résultats observés. L’animateur peut aussi mettre à disposition tous les composants et matériels et proposer aux participants de réaliser différents types de montage, sans leur proposer de circuit en exemple. Si le groupe a du mal à imaginer différents modes de branchement, l’animateur pourra alors les guider en s’appuyant sur les circuits déjà réalisés.
-L’animateur peut aussi proposer l’expérience sous la forme d’un défi, et le présenter avec une petite histoire. Par exemple en présentant un montage en série avec une introduction comme : « Vous êtes enfermé dans un placard, dans le noir (comme Harry Potter !). En tâtonnant, vous avez trouvé des composants électroniques dans une vieille boîte de jeu (appartenant à votre cousin Dudley). Vous avez réalisé un circuit pour pouvoir vous éclairer et lire vos livres (de magie), mais comme vous pouvez le voir, les ampoules ne brillent que faiblement. Essayez de refaire un montage qui permette d’obtenir plus de lumière avec les mêmes ampoules ! »
+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.
-|Notes=[https://fr.vikidia.org/wiki/Circuit_électrique Plus d’informations sur Vikidia, l’encyclopédie des enfants]
-[http://physique-chimie-college.fr/cours-4eme-electricite/loi-de-la-tension-electrique-dans-un-circuit-en-serie/ Les notions vues au collège et quelques exercices]
+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.
+|Applications=Sensation de picotement au moment de retirer un pull en laine.
 }}
 {{Tuto Status
 |Complete=Draft
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