TP11 Les interactions électriquesLes interactions électriques

Objectifs de la séance :

- Interpréter des expériences simples mettant en jeu des phénomènes d’électrisation ;- Interpréter la cohésion des solides ioniques.

Doc. 1 : Expérience d’électricité statique

Certaines substances, lorsqu’on les frotte, sont susceptibles de provoquer des phénomènes surprenants : hérissement des cheveux avec un peigne, décharge électrique ressentie en refermant la portière d’un véhicule.

Comment expliquer ce phénomène ?

1.1. Les interactions électrostatiquesLes interactions électrostatiques

Doc. 2 : Dès l'Antiquité, les propriétés électriques des matériaux intriguent les savants

Remarque : vous avez à votre disposition un détecteur de charges destiné à identifier le type de charge électrique porté par un matériau.

2.2. Interprétation des résultats expérimentauxInterprétation des résultats expérimentaux

Questions

a) Rappelez les définitions de « matériau conducteur » et « matériau isolant ».b) Recherchez l’origine des termes « électricité » et « électrisation ».

Il existe trois manières d’électriser un objet. Saurez-vous les découvrir ?

c) [Doc. 2] En vous inspirant des questions précédentes et du texte historique ci-dessus, vérifiez à l’aide du matériel disponible sur votre table :

- Les observations de Thales de Milet et de Plutarque ;- Les observations de Charles Du Fay.

d) Quelle invention a rendu célèbre Benjamin Franklin ?

qA

A BqB

d

qA

A B

qBd

a) Sachant que dans un solide, seuls les électrons sont susceptibles de se déplacer, expliquez en vous aidant de schémas, l’électrisation des tiges de PVC et de verre par frottement en raisonnant sur l’existence de deux types d’électricité (charges électriques).

La baguette de verre, électriquement neutre au départ, se charge pendant le frottement. Dans un isolant (comme le verre), le déplacement des électrons est peu important, limité à un diamètre atomique. Dans un conducteur (comme l’aluminium), une partie des électrons peut se déplacer librement.

b) Pour les différentes expériences réalisées dans la première partie, expliquez les observations à l’aide de schémas commentés.

c) L’interaction électrique est-elle toujours attractive comme l’interaction gravitationnelle : complétez le tableau ci-dessous (voir fiche réponse).

Signe des charges qA et qB Forces exercées par les charges

Même signe

Signe contraire

d) En utilisant la notion de « charge électrique », reformulez les constatations de Charles Du Fay.

3.3. ApplicationApplication : les solides ioniques: les solides ioniques

4. Conclusion

Répondez à la question du début de l’activité

Comment expliquer la cohésion d'un solide ionique ?

Questions

a) [Fig. 2a] Indiquez si les ions sodium sont en contact avec d'autres ions sodium et si des ions chlorure sont en contact avec d'autres ions chlorure.

b) [Fig. 2b] Quels sont les plus proches voisins d'un ion sodium ? À l’aide de la figure 2b, précisez combien d'ions touchent un ion sodium.

c) [Fig. 2b] Quels sont les plus proches voisins d'un ion chlorure ? À l’aide de la figure 2b et en tenant compte du fait que les cubes sont empilés, précisez combien d'ions touchent un ion chlorure.

d) Les ions sodium et chlorure tendent-ils à s'attirer ou à se repousser ? Justifiez votre réponse.e) [Fig. 2a] Exprimez la distance r entre le centre d'un ion chlorure et le centre d'un ion sodium en contact, en

fonction de et de . Calculez r.

f) Calculez l'intensité de la force électrostatique s'exerçant entre un ion chlorure et un ion sodium en contact.

g) [Fig. 2a] En utilisant la figure 2a, exprimez la longueur d'une arête du cube en fonction de et de , puis calculez cette distance. En utilisant le théorème de Pythagore, calculez la longueur d'une diagonale d'une face du cube. En déduire alors la distance séparant les centres de deux ions chlorure les plus proches.

h) La force s'exerçant entre deux ions chlorure sera-t-elle attractive ou répulsive ? Cette force aura-t-elle une intensité plus ou moins grande que celle s'exerçant entre un ion sodium et un ion chlorure ?

qA

A B

qBd

qA

A B

qBd

FICHE REPONSEFICHE REPONSE(Les interactions électriques)

Signe des charges qA et qB Forces exercées par les charges

Même signe

Signe contraire

TTABLEAUABLEAU DESDES COMPÉTENCESCOMPÉTENCES MISESMISES ENEN ŒUVREŒUVRE DANSDANS LL’’ACTIVITÉACTIVITÉ

COMPÉTENCES Exemples de capacités et d’aptitudes

MOBILISER SESCONNAISSANCES

Connaître les notions scientifiques du programme, le vocabulaire approprié, les symboles adaptés, les unités.

S’APPROPRIER

Rechercher, extraire et organiser l’information utile.

Adopter une attitude critique vis-à-vis de l’information.

Questionner, identifier, formuler un problème.

Reformuler.

Identifier les risques.

RÉALISER

Réaliser un montage à partir d’un schéma.

Suivre un protocole donné.

Utiliser, dans un contexte donné, le matériel à disposition.

Savoir choisir, combiner et réaliser plusieurs actions.

Effectuer un relevé de mesures.

Schématiser, construire un graphique, un tableau, etc.

Exploiter une relation, un calcul littéral.

Effectuer un calcul numérique, utiliser les symboles et les unités appropriés, utiliser la calculatrice.

Reconnaître et utiliser la proportionnalité.

Respecter les règles de sécurité, manipuler avec soin, veiller au rangement du plan de travail, etc.

ANALYSER

Émettre une hypothèse.

Identifier les paramètres qui influencent un phénomène, choisir les grandeurs à mesurer.

Élaborer ou justifier un protocole.

Proposer une méthode, un calcul, un outil adapté ; faire des essais (choisir, adapter une méthode, un protocole).

Proposer, décrire un modèle ; utiliser un modèle pour prévoir, décrire et expliquer.

Percevoir la différence entre un modèle et la réalité, entre la réalité et une simulation.

VALIDER

Estimer l’incertitude d’une mesure, faire un traitement statistique d’une série de mesures, etc.

Interpréter des résultats, juger de la qualité d’une mesure, etc.

Confronter le résultat au résultat attendu, mettre en relation, déduire.

Valider ou invalider une information, une hypothèse, etc.

COMMUNIQUER À L’AIDE DE LANGAGES OU D'OUTILS SCIENTIFIQUES

Communiquer des résultats, rédiger une solution.

Exprimer un résultat (grandeur ─ unité ─ chiffres significatifs).

Rendre compte à l’écrit ou à l’oral en utilisant un vocabulaire adapté.

ÊTRE AUTONOME, FAIRE PREUVE D’INITIATIVE

S’impliquer.

Prendre des initiatives, anticiper, faire preuve de créativité.

Travailler en autonomie.

Travailler en équipe.

CORRECTIONCORRECTION1.1. Les interactions électrostatiquesLes interactions électrostatiques

a) Un matériau conducteur permet le passage d’un courant électrique alors que le courant électrique ne circule pas dans un matériau isolant.

b) Électricité est un mot provenant du grec ἤλεκτρον, êlektron, signifiant ambre jaune. c) Expériences possibles :

Il est facile de vérifier qu’une tige de verre ou de polystyrène frottée avec de la laine attire la sphère métallisée suspendue à un pendule. On peut aussi constater que, s’il y a contact entre la sphère et la tige électrisée, la sphère est repoussée.

Décharger le pendule électrostatique en le touchant avec les doigts. Frotter un tube en PVC à l'aide d'un tissu de laine. Toucher le pendule avec le tube. Rompre le contact, puis approcher à nouveau le tube du pendule.

Décharger le pendule électrostatique en le touchant avec les doigts. Frotter une baguette de verre à l'aide d'un tissu de coton. Toucher le pendule avec la baguette. Rompre le contact, puis approcher à nouveau la baguette du pendule.

Décharger le pendule électrostatique, puis le mettre en contact avec la baguette de verre frottée. Approcher le tube en PVC frotté du pendule sans le toucher.

Décharger le pendule, puis approcher le tube ou la baguette frottée sans toucher le pendule.

d) Benjamin Franklin a, entre autres, inventé le paratonnerre en 1752.

2.2. Interprétation des résultats expérimentauxInterprétation des résultats expérimentaux

a) Électrisation par frottement :

Situation :

On approche d’un pendule un tube en PVC électrisée par frottement (figure de gauche). L’approche du tube électrisée a créé une dissymétrie dans la répartition des charges, c’est le phénomène d’électrisation par influence. La boule, après contact avec le tube en PVC électrisée, est chargée négativement comme le tube. C’est le phénomène d’électrisation par contact (figure de droite).

Tube en PVC électrisé Répulsion des deux matériaux

Situation :

On approche d’un pendule une baguette de verre électrisée par frottement (figure de gauche). L’approche de la baguette électrisée a créé une dissymétrie dans la répartition des charges, c’est le phénomène d’électrisation par influence (figure de droite).

Électrisation par frottement Électrisation par influence

La boule, après contact avec la baguette de verre électrisée, est chargée positivement comme la baguette. C’est le phénomène d’électrisation par contact :

Électrisation par contact

Situation :

La boule, après contact avec la baguette de verre électrisée, est chargée positivement comme la baguette. C’est le phénomène d’électrisation par contact (figure de gauche). La boule est chargée positivement et le tube en matériau polymère (PVC) négativement : il y a attraction (figure de droite).

Électrisation par contact Attraction des deux matériaux

Récapitulatif des interactions électriques entre charges :

Signe des charges q et q’ Forces

Même signe

Répulsives Même direction Sens contraires Même valeur (F = F’)

Signe contraire

Attractives Même direction Sens contraires Même valeur (F = F’)

3. ApplicationApplication : les solides ioniques: les solides ioniques

a) Les ions sodium ne sont pas en contact avec d’autres ions sodium et les ions chlorure ne sont pas en contact avec d’autres ions chlorure.

b) Un ion sodium a six ions chlorure comme voisins directs :

c) Un ion chlorure a six ions sodium comme voisins directs :

d) Comme les deux ions sont de signes contraires, ils s’attirent.

e) r = +

A.N. : r = 278 pm = 2,78 10–10 m

f)

A.N. :

g) La longueur de l’arête d’un cube vaut a = 2r soit a = 2 ( + )

A.N. : a = 5,56 10–10 m

En utilisant le théorème de Pythagore, on exprime la longueur d’une diagonale de face en fonction d’une arête du

cube et on obtient soit .

Or, sur une diagonale, on a deux fois la distance séparant les centres de deux ions chlorure proches. Ainsi, entre

deux centres, on trouve une distance de .

A.N. :

h) La force s’exerçant entre deux ions chlorure est répulsive car les deux ions ont une charge de même signe. Cette force aura une intensité moins grande que celle s’exerçant entre un ion sodium et un ion chlorure, car la distance entre les deux centres des ions chlorure est plus grande.

4.4. ConclusionConclusion

Comment expliquer la cohésion d'un solide ionique ?

FICHE TP n°11FICHE TP n°11(Les interactions électriques)(Les interactions électriques)

Mode d’emploi et fonctionnement du détecteur de charges électriques :

À la mise sous tension le voyant rouge s'allume.

En approchant (de façon rapide) du récepteur un objet chargé positivement la LED témoin s'allume. En éloignant l'objet, elle s'éteint.

En approchant (de façon rapide) du récepteur un objet chargé négativement, le témoin s'éteint. Il se rallume quand on éloigne l'objet du récepteur.

Les phénomènes d'électrisation sont éphémères et ne sont vérifiés que lors des mouvements d'approche ou d'éloignement. Le système électrique s'équilibre ensuite et le voyant reste allumé en permanence.

COMPLEMENTSCOMPLEMENTSL’électroscope :

Les électrons négatifs du bâton de PVC repoussent les électrons libres du plateau métallique vers le bas de l’électroscope. La feuille métallique est repoussée par la tige car ces deux parties sont négatives.

Le pendule électrostatique :

Sources de l’activitéSources de l’activité

Activité n°1 p152 (HACHETTE 1ère S, Collection Dulaurans Durupthy)Activité n°2 p161 (BORDAS 1ère S, Collection E.S.P.A.C.E Lycée)Activité n°1 p176 (BELIN 1ère S)