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ELECTROSTATIQUE

Qu'est-ce que l'électrostatique ?
Rapport à l'électricité.
Développement historique.

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Avant : Généralités sur l'électricité
Suite : Expériences d'électrostatique
1° - L'électrostatique dans la vie courante
  • Après un voyage en automobile sur des routes sèches vous mettez pied à terre et, soudainement, une décharge électrique claque douloureusement entre votre corps et la carrosserie.

  • Mêmes décharges électriques désagréables en touchant un meuble en matière plastique après avoir marché sur des sols recouverts de certains revêtements plastiques ou moquettes dans des locaux secs surchauffés.

  • Vous déroulez du ruban adhésif fin : si vous lâchez la partie dégagée, elle est repoussée par vos doigts, se dérobant à eux, vient irrésistiblement se coller de nouveau au rouleau. Situation fréquente et très irritante !

  • Dans l'obscurité, par une nuit d'été ou en hiver dans une pièce sèche très chauffée, d'étranges lueurs violettes apparaissent lorsque vous froissez des vêtements en nylon, par exemple.

  • La foudre éclate, un éclair luit, quelle en est l'origine ?

  • Les artificiers déclenchant des avalanches préventives savent qu'il faut manipuler les explosifs avec un soin particulier dans les zones très froides en montagne. Les charges explosent spontanément.
    C'est que par temps très froid, toute humidité est figée en glace. Or l'humidité est conductrice et permet à l'électricité de de s'écouler au sol. En son absence, par temps sec, des frottements des pains d'explosif avec leurs emballages lors du transport peuvent produire de l'électricité statique et une décharge électrique peut se produire entre deux pains provoquant l'explosion de tout le paquet.


  • Votre chat n'aime pas du tout qu'on le toilette avec un peigne en plastique. Les claquements secs que vous entendez parfois (si le temps est très sec) en le passant sur le pelage sont des décharges électriques qui irritent douloureusement les nerfs à la base des poils.
    On les évite avec un peigne métallique : du fait qu'il est très conducteur, l'électricité générée par frottement s'écoule progressivement par le peigne, à travers votre corps, puis à la terre.



Autant de phénomènes auxquels nous assistons souvent sans que nous sachions établir un lien logique
ou une origine commune entre eux.

Ne pas confondre ...
ces phénomènes avec l'électrocution (au moins désagréable souvent mortelle) à laquelle on s'expose
lorsqu'une partie du corps prend contact avec les bornes d'une prise de courant par exemple,
ou entre une borne et le sol si l'installation est n'est pas dûment protégée...

L'électricité y est produite par d'autres phénomènes que vous verrons dans les chapitres suivants :
"Electrocinétique" (courants électriques) et "Électromagnétisme" (effets magnétiques)
L'électrostatique n'est qu'une partie de l'étude de l'électricité.

Bien distinguer ces diverses formes que peut prendre l'électricité,
c'est ce que je me propose de vous aider à faire dans la suite de ce cours d'électrostatique.
et plus tard dens les cours qui suivront : électrocinétique, magnétisme.

Applications actuelles de l'électrostatique

Mettant à profit l'attraction électrostatique.
  • peinture électrostatique
  • photocopie par xérographie
  • pièges à fumées - dépoussiérage industriel.
  • accélérateurs de particules

Applications futures
(Ecrit en 2007)


Les nanotechnologies
permettront vraisemblablement de fabriquer
des nano moteurs électrostatiques
comparables aux muscles des animaux.
 

2° Observation de phénomènes électrostatiques depuis l'antiquité

Histoire science et ... magie !

Le mot électricité vient du grec elektron
prononcé "elektron"
une résine fossilisée appelée " ambre jaune ".


Les grecs avaient déjà remarqué qu'après avoir frotté un morceau de cette résine, elle pouvait ensuite attirer des objets légers, tels que des bris de pailles sèches, situés à faible distance.


Pendentifs en ambre jaune

Ce qui rend ce phénomène particulièrement intriguant est précisément
que l'attraction opère à distance.
Le " lien " entre l'acteur et l'objet déplacé demeurant invisible
sans qu'il y ait contact ou continuité matérielle entre la résine et les objets attirés.
Mystère... ...

Qu'en est-il exactement des ces forces ?

Le moyen âge fut une longue période de silence forcé pour les sciences...

Mais à la Renaissance les esprits se délièrent...

Dans le domaine de l'électricité, on commença par améliorer le développement d'électricité par frottement
en concevant des machines (dites plus tard électrostatiques - nous verrons plus loin pourquoi "électrostatiques")
de plus en plus efficaces pour produire des effets d'attraction-répulsion
et des "décharges" électriques
plus puissantes .

Vers 1672, le scientifique allemand Otto Von Guericke
(plus connu pour l'expérience des hémisphères de Magdebourg)
conçut une machine où des boules de soufre étaient électrisées par frottement
gràce à un dispositif mécanique tournant.

Cependant, l'électricité demeura longtemps une étrange et spectaculaire distraction de salon,
sans applications pratiques que d'amuser les galeries
et sans faire l'objet d'une étude scientifique plus approfondie.

Question de voccabulaire
Nous utilisons souvent le mot "Charge électique".
Que désigne-t-il exactement ?

Les mots ont une importance car ils nous révèlent le fil historique qui nous a amenés à nos connaissances actuelles. Si un jour elles sont à revoir, il faudra commencer par là.

D'abord, pour quelle raison nomma-t-on "décharges" électriques
les étincelles qui jaillissent, souvent bruyamment, des corps vigoureusement frottés ?

J'avance qu'il y a là une analogie avec le fait, par exemple,
qu'après avoir levé une lourde charge (poids) on la laisse tomber brutalement.
D'autres analogies peuvent être convoquées
dans cette idée d'accumulation lente suivie d'un lâcher brutal.

Logiquement...
Si l'électricité se manifeste par une"décharge" c'est qu'il y a eu "charge" préalable.
Charge de quoi ? Réponse : d'électricité...

Et qu'est-ce que l'électritié exactement ?
Bottons en touche...
"Électricité", "charge électrique" sont des métaphores .
C'est-à-dire des mots pour pouvoir désigner ce qu'on connaît pas encore,
par comparaison à des objets, faits ou phénomènes
avec lesquels ils ont certaines analogies.

La métaphore n'est définie que par ses effets.
Peu importe ce qu'est une charge électrique en soi finalement.
Ce qui importe c'est de décrire les phénomènes qu'elle provoque.

La signification de la métaphore "charge électrique" commença à se préciser vers 1732
lorsque Stephen Gray montra que le "pouvoir" attractif de 'électricité pouvait se propager.


Dès lors on passa progressivement à la notion de "fluide électrique".

La nature de la charge électrique se précisa encore plus en 1897.
Joseph John Thomson et son équipe de physiciens britanniques
découvrirent l'électron comme particule élémentaire
ayant la plus faible charge (négative) qui soit.
La charge s'est révélée être discrète (pas continue comme un fluide continu).

En 1886, Eugen Goldstein avait déjà découvert des particules positives
dans les rayons émis dans des tubes de décharge sous vide.
On les identifia plus tard aux protons, particules portant, elles,
les plus petites quantités de charges électriques positives possibles
qui s'avérèrent égales en valeur absolue à celles des électrons
...mais de signe contraire.

Ira-t-on un jour plus loin dans l'analyse ?

Dans la suite, nous tournons le dos à cette recherche analytique de la nature de la charge
pour étudier les effets physiques des charges, non leur constitution interne.
Effets que nous pouvons constater, mesurer, prévoir.

Les charges qui s'accumulent sont l'objet de l'électrostatique.
(elles restent concentrées sur des corsp)

Celles qui circulent dans les conducteurs sont l'objet de l'électrocinétique.

Voici les étapes marquantes du développement de l'électrosatique au cours de son histoire :

1570

William Guilbert (1544 – 1603) - Angleterre - Médecin d'Elisabeth I° -
Premier expérimentateur scientifique en électrostatique (et magnétisme).

Observa que les propriétés attractives de l'Ambre frotté
s'étendaient à d'autres matières !

(Verre, résine, soufre, etc...) et il en établit un classement.

Donna à ces phénomènes le nom d' "ÉLECTRICA" (devenu "électricité") par analogie à l'ambre (qui se dit "Electron" en grec.)
Les français l'appelleront longtemps "ambréité" ou "ambricité".

Fit la distinction entre les forces électrostatiques des forces magnétiques, pourtant toutes deux attractives ou répulsives à distance.

Découvreur du magnétisme terrestre dont il donna une interprétation pratiquement avérée aujourd'hui (tout se passe comme si la terre contenait un aimant).

1730
Stephen GRAY (1666 -1736 ) découvre la CONDUCTION !
Pour attirer des petits objets avec une baguette frottée il prend pour intermédiaire une corde partant de la baguette et arrivant sur une boule d'ivoire proche des objets.

Ils sont attirés, prouvant que l' "électricité" s'est propagée de la baguette à la boule à travers la corde.
1733
Charles François de Cisternay du Fay (1698-1739) - Créateur du Jardin des Plantes -
Distingue deux sortes d’électricité !
1766
Jesse Ramsden : (1735 – 1800) Mathématicien, opticien, anglais
Met au point une machine électrostatique produisant des tensions de plusieurs dizaines de milliers de volts à l'aide d'un disque tournant frotté par des balais.
C'est en quelque sorte une version mécanisée et améliorée de l'ambre frotté.
Les machines électrostatiques ne génèrent pas un courant constant mais de courtes décharges brutales à haute tension.
1745
Pieter van Musschenbroek (1692–1761). Physicien néerlandais.
Réalise, à Leyde (Hollande), les Bouteilles de Leyde. Dans lesquelles il était possible d'emmagasiner les décharges générées par les machines électrostatiques afin de faciliter les expériences d'électrostatique.
Les bouteilles de Leyde sont les ancêtres des condensateurs. Etudiés plus loin.
1785
Début de l'étude scientifique et expérimentale de électrostatique avec la mesure précise des phénomènes électrostatiques.
Charles Augustin Coulomb ( 1736 – 1806 ) Officier, ingénieur et physicien français.
S'appuyant sur un appareillage expérimental de grande précision (Balance de Coulomb ) énonce la première loi mathématique décrivant les forces développées à distance par les charges électriques (Loi de Coulomb).
1800
Dépassement de l'électrostatique - Essor de l'électricité dynamique.

L'électrostatique met en jeu de très fortes tensions
(plusieurs dizaines, voire des centaines de milliers de volts)
mais les machines qui les produisent débitent des courants très faibles
et malheureusement, pendant des temps très courts.

Ces courants étaient insuffisants pour mettre clairement en évidence
les phénomènes d'électromagnétisme
qui vont ouvrir l'ère de l'électricité industrielle.

La pile inventée par Alessandro Volta

changera radicalement le champ des expérimentations
en fournissant un courant électrique disponible continument
en quantité importante et à des tensions plus raisonnables.

Suite du cours

La genèse historique de l'électrostatique se termine ici.
Nous passons maintenant aux expériences qui permettent d'énoncer les lois physiques de l'électrostatique.

Lesquelles sont les bases des lois physiques de l'électricité dynamique (courants électriques).

Lesquelles nous conduiront plus loin vers l'électromagnétisme,

Vos premières expériences d'électrostatique en page suivante !


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