Ces expériences de physique amusante sont faciles à réaliser. Elles doivent être réalisées par temps sec.
Dans ces expériences, nous allons utiliser un dispositif ludique que l’on peut acheter facilement sur internet à un prix réduit : le flying stick. De nombreuses expériences d’électrostatique sont réalisables avec cet objet.
En particulier, toutes les expériences d’électrostatique présentées dans ce site (avec un ballon de baudruche) sont réalisables en remplaçant le ballon de baudruche par le flying stick.
Dans cet article, nous vous proposons d’utiliser la spécificité du flying stick, qui permet de charger en permanence un objet cartonnée. On peut, grâce à cette propriété, réaliser quelques expériences, impossibles à faire avec un ballon de baudruche frotté (ou tout autre objet frotté).
Matériel
- un flying stick (s’achète facilement sur internet)
- un trombone (ou une petite boule fabriquée avec du papier en aluminium)
- du fil
- un morceau de papier d’aluminium
- une canette métallique
- un bâton en bois ou équivalent (pour accrocher le fil), ce dernier pouvant ensuite reposer sur deux livres ou autres supports de même hauteur
Première expérience
Suspendre le trombone à l’aide du fil, en attachant le fil sur le bâton en bois, lui même posé sur deux livres de même hauteur (non présents sur la photographie).
Rapprocher l’extrémité du flying stick du trombone et allumer ce dernier. Observer.
Deuxième expérience
Poser à côté du trombone, à mi-hauteur, la canette métallique, elle même posée sur un morceau de papier aluminium (voir photographie ci-dessous).
Poser une des deux mains sur le papier aluminium et avec l’autre main, manipuler le flying stick.
Lorsque le trombone est bien en équilibre, approcher l’extrémité du flying stick du trombone et allumer ce dernier. Observer ce qu’il se passe.
Observations
Première expérience
Nous observons que le trombone est d’abord attiré par l’extrémité du flying stick puis, après avoir touché ce dernier, il est ensuite repoussé par celui-ci.
Deuxième expérience
ObservatiExon
Lorsque l’on allume le flying stick, on peut observer que le trombone a un mouvement oscillatoire et tape alternativement sur la canette métallique et le flying stick, tel un carillon dans une cloche. On entend un tintement caractéristique.
Une expérience utilisant un flying stick pour réaliser le dispositif des cloches de Franklin.
Que se passe-t-il ?
Pour comprendre cette expérience, il est nécessaire tout d’abord de comprendre comment fonctionne le flying stick.
Le flying stick est une version portable très astucieuse du générateur électrostatique très connu de Van der Graaff. A l’intérieur du tube en plastique bleu, il y a une courroie en caoutchouc qui tourne autour de deux poulies (voir figure ci-dessous) lorsque le moteur est allumé. La poulie située en haut du bâton en plastique bleue est en métal et celle située en bas du bâton au niveau du bouton électrique est en téflon. Au niveau de la poulie en téflon des charges se séparent : les charges positives vont sur la courroie et des charges négatives sur le téflon. Lorsque la courroie passe au niveau de la poulie métallique, des électrons sont arrachés au tube supérieur en carton vers la courroie chargée positivement en transitant par un peigne en métal positionné au niveau de la poulie métallique. Le tube en carton devient alors un accumulateur de charges positives. Un peigne métallique plus bas au niveau de la poulie en téflon récupère les électrons excédant qui partent vers les mains de l’opérateur, via le bouton électrique.
Ainsi lorsque l’on appuie sur le bouton ON du flying stick, la partie supérieure en carton se charge positivement et la main qui maintient ce dernier peut se charger négativement.
Interprétation de la première expérience
Lorsque l’on approche l’extrémité chargée du flying stick du trombone, conducteur, neutre initialement, les électrons migrent au sein du trombone : la partie du trombone faisant face au flying stick se charge négativement et celle qui est opposée se charge positivement. Le trombone est alors attiré vers le flying stick et peut taper sur celui-ci. Lorsque le trombone est en contact avec ce dernier, celui-se se charge positivement par contact. Il est ensuite repoussé par l’extrémité chargée positivement du flying stick.
Interprétation de la deuxième expérience
Lorsque l’on appuie sur le bouton ON du flying stick, l’extrémité noir de cet objet se charge positivement et la canette se charge négativement. Comme dans le début de la première expérience, le trombone est attiré par l’extrémité noir du flying stick et vient taper sur ce dernier. Il se charge alors positivement puis est repoussé par le flying stick. En tapant ensuite sur la canette, chargée négativement, et lors de ce contact, le trombone se charge négativement. Ce dernier est ensuite repoussé par la canette et attiré par l’extrémité du flying stick chargé positivement. Puis le processus reprend et le trombone oscille entre la canette et le flying stick en les tapant successivement.
Pour « la petite histoire »
Le dispositif que nous venons de réaliser s’inspire du dispositif inventé par Benjamin Franklin pour détecter l’approche d’un orage en 1757.
Dans ce dispositif, un pendule métallique est suspendu entre deux cloche métalliques par une ficelle isolante. L’une des cloches est reliée électriquement à la Terre et l’autre est reliée à la source de charges électriques (l’orage). L’oscillation du pendule entre les cloches produit un tintement régulier, comme dans notre expérience. Ce tintement annonce la proximité d’un orage.