Électroscope: histoire, fonctionnement et utilité
Un électroscope est un appareil utilisé pour détecter l'existence de charges électriques sur des objets proches. Il indique également le signe de la charge électrique; c'est-à-dire s'il s'agit d'une charge négative ou positive. Cet instrument est constitué d’une tige de métal confinée dans une bouteille en verre.
Cette tige comporte deux tôles métalliques très fines (or ou aluminium) reliées dans sa partie inférieure. À son tour, cette structure est scellée avec un couvercle en matériau isolant et, à son extrémité supérieure, une petite sphère appelée "collecteur".
Lorsque vous approchez d'un objet chargé électriquement d'un électroscope, les lamelles métalliques situées à l'extrémité inférieure de la configuration peuvent être témoins de deux types de réactions: si les lamelles sont séparées l'une de l'autre, cela signifie que l'objet a la même charge électrique. que l'électroscope.
D'autre part, si les lamelles se rejoignent, cela indique que l'objet a une charge électrique opposée à la charge de l'électroscope. La clé est de charger l'électroscope avec une charge électrique de signe connu; ainsi, en éliminant, il sera possible de déduire le signe de la charge électrique de l'objet que nous approchons de l'appareil.
Les électroscopes sont extrêmement utiles pour déterminer si un corps est chargé électriquement, en plus de donner des indications sur le signe de la charge et son intensité.
Histoire
L'électroscope a été inventé par le physicien et physicien anglais William Gilbert, physicien de la monarchie anglaise sous le règne de la reine Elizabeth I
Gilbert est également connu comme "le père de l'électromagnétisme et de l'électricité" grâce à ses grandes contributions à la science au XVIIe siècle. Il construisit le premier électroscope connu en 1600 dans le but d'approfondir ses expériences sur les charges électrostatiques.
Le premier électroscope, appelé Versorium, était un dispositif constitué d'une aiguille en métal, qui tournait librement sur un socle.
La configuration du versorium ressemblait beaucoup à celle d'une aiguille de boussole, mais dans ce cas l'aiguille n'était pas magnétisée. Les extrémités de l’aiguille étaient différenciées visuellement; De plus, une extrémité de l'aiguille avait une charge positive et l'autre une charge négative.
Le mécanisme d’action du versorium était basé sur les charges induites aux extrémités de l’aiguille, au moyen d’une induction électrostatique. Ainsi, en fonction de l'extrémité de l'aiguille la plus proche de l'objet environnant, la réaction de cette extrémité serait de pointer ou de repousser l'objet avec l'aiguille.
Si l'objet avait une charge positive, les charges négatives en mouvement dans le métal seraient attirées vers l'objet, et l'extrémité chargée négativement serait dirigée vers le corps qui induit la réaction au versorium.
Sinon, si l'objet avait une charge négative, le pôle attiré par l'objet serait l'extrémité positive de l'aiguille.
Évolution
Au milieu de 1782, le remarquable physicien italien Alessandro Volta (1745-1827) construisit l'électroscope à condensation, doté d'une sensibilité importante pour détecter des charges électriques que les électroscopes ne détectèrent pas ensuite.
Cependant, la plus grande avancée de l'électroscope provient de la main du mathématicien et astronome allemand Johann Gottlieb Friedrich von Bohnenberger (1765-1831), qui a inventé l'électroscope à feuille d'or.
La configuration de cet électroscope est très similaire à la structure connue aujourd'hui: le dispositif était constitué d'une cloche en verre surmontée d'une sphère métallique.
À son tour, cette sphère était reliée par un conducteur à deux feuilles d'or très minces. Les "pains dorés" se séparent ou se rejoignent alors qu'un corps chargé électrostatiquement s'approche.
Comment ça marche?
Un électroscope est un appareil utilisé pour détecter l'électricité statique dans les objets proches, en utilisant le phénomène de séparation de leurs lamelles internes due à la répulsion électrostatique.
L'électricité statique peut s'accumuler sur la surface externe de tout corps, soit par charge naturelle, soit par frottement.
L'électroscope est conçu pour détecter la présence de ce type de charges, en raison du transfert d'électrons de surfaces fortement chargées à des surfaces moins chargées électriquement. En outre, en fonction de la réaction des lamelles, cela pourrait également donner une idée de l’ampleur de la charge électrostatique de l’objet environnant.
La sphère située dans la partie supérieure de l'électroscope fonctionne comme une entité réceptrice de la charge électrique de l'objet à étudier.
En rapprochant un corps chargé électriquement de l'électroscope, il acquiert la même charge électrique du corps; En d'autres termes, si nous apportons un objet chargé électriquement avec un signe positif, l'électroscope acquiert la même charge.
Si l’électroscope est préalablement chargé d’une charge électrique connue, il se passera ce qui suit:
- Si le corps a la même charge, les lamelles métalliques se trouvant à l'intérieur de l'électroscope seront séparées les unes des autres, car les deux se repousseront.
- En revanche, si l'objet a une charge opposée, les paillettes métalliques au fond de la bouteille resteront jointes.
Les lamelles à l'intérieur de l'électroscope doivent être très légères, de sorte que leur poids soit équilibré par l'action des forces de répulsion électrostatiques. Ainsi, en éloignant l’objet d’étude de l’électroscope, les lamelles perdront leur polarisation et retrouveront leur état naturel (fermées).
Comment est-il chargé électriquement?
Le fait de charger l'électroscope électriquement est nécessaire pour pouvoir déterminer la nature de la charge électrique de l'objet que nous allons approcher de l'appareil. Si la charge de l'électroscope n'est pas connue à l'avance, il sera impossible de déterminer si la charge de l'objet est égale ou opposée à cette charge.
Avant de charger l’électroscope, il doit être à l’état neutre; c'est-à-dire avec un nombre égal de protons et d'électrons à l'intérieur. Pour cette raison, il est suggéré de connecter l'électroscope à la terre avant de procéder à la charge, afin d'assurer la neutralité de la charge de l'appareil.
La décharge de l'électroscope peut être effectuée en le touchant avec un objet métallique, de sorte que ce dernier draine la charge électrique existant à l'intérieur de l'électroscope à la terre.
Il existe deux manières de charger un électroscope avant de le tester. Vous trouverez ci-dessous les aspects les plus pertinents de chacun d’eux.
Par induction
Il s’agit de charger l’électroscope sans établir de contact direct avec lui; c'est-à-dire ne s'approcher que d'un objet dont la charge est connue de la sphère réceptrice.
Par contact
En touchant directement la sphère réceptrice de l'électroscope avec un objet de charge connue.
C'est pour quoi?
Les électroscopes sont utilisés pour déterminer si un corps est chargé électriquement et pour distinguer s'il a une charge négative ou positive. Actuellement, les électroscopes sont utilisés dans le domaine expérimental pour illustrer par leur utilisation la détection de charges électrostatiques dans des corps chargés électriquement.
Certaines des fonctions les plus importantes des électroscopes sont les suivantes:
- Détection de charges électriques dans des objets proches. Si l'électroscope réagit à l'approche d'un corps, c'est que ce dernier est chargé électriquement.
- Discrimination du type de charge électrique que possèdent les corps chargés électriquement, lors de l'évaluation de l'ouverture ou de la fermeture des lamelles métalliques de l'électroscope, en fonction de la charge électrique initiale de l'électroscope.
- L’électroscope est également utilisé pour mesurer le rayonnement de l’environnement en cas de présence de matières radioactives autour, selon le même principe d’induction électrostatique.
- Cet appareil peut également être utilisé pour mesurer la quantité d'ions présents dans l'air, en évaluant la vitesse de charge et de décharge de l'électroscope dans un champ électrique contrôlé.
Aujourd'hui, les électroscopes sont largement utilisés dans les pratiques de laboratoire dans les écoles et les universités pour démontrer aux étudiants de différents niveaux d'enseignement l'utilisation de cet appareil comme détecteur de charge électrostatique.
Comment faire un électroscope à la maison?
Il est très facile de faire un électroscope fait maison. Les éléments nécessaires sont faciles à acquérir et l'assemblage de l'électroscope est assez rapide.
Vous trouverez ci-dessous la liste des ustensiles et du matériel nécessaires pour construire un électroscope artisanal en 7 étapes faciles:
- une bouteille en verre. Il doit être propre et très sec.
- un bouchon pour fermer hermétiquement la bouteille.
- Un fil de cuivre de calibre 14.
- une pince.
- un ciseau.
- Papier d'aluminium.
- Une règle.
- Un globe.
- Un drap de laine.
La procédure
Étape 1
Coupez le fil de cuivre jusqu'à obtenir une section d'environ 20 centimètres de long sur la longueur du conteneur.
Étape 2
Courbez une extrémité du fil de cuivre pour former une sorte de spirale. Cette partie remplira les fonctions de la sphère de détection de charge électrostatique.
Cette étape est très importante, car la spirale facilitera la transmission des électrons du corps de l’étude à l’électroscope, du fait de l’existence d’une plus grande surface.
Étape 3
Il traverse le liège avec le fil de cuivre. Assurez-vous que la partie recourbée est vers le haut de l'électroscope.
Étape 4
Faites une légère courbure à l'extrémité inférieure du fil de cuivre, en forme de L.
Étape 5
Couper les deux lamelles d’aluminium en forme de triangles d’une base d’environ 3 centimètres. Il est important que les deux triangles soient identiques.
Assurez-vous que les lamelles sont suffisamment petites pour ne pas entrer en contact avec les parois internes de la bouteille.
Étape 6
Il comprend un petit trou dans le coin supérieur de chaque feuille et insère les deux pièces d'aluminium dans l'extrémité inférieure du fil de cuivre.
Essayez de garder les glissières en aluminium aussi lisses que possible. Si les triangles d’aluminium sont trop cassés ou froissés, il est préférable de répéter les échantillons jusqu’à obtention de l’effet souhaité.
Étape 7
Placez le bouchon sur le bord supérieur de la bouteille, très soigneusement, afin que les lamelles en aluminium ne se détériorent pas ou ne perdent pas l’assemblage réalisé.
Il est extrêmement important que les deux lamelles soient en contact lors du scellement du conteneur. Si ce n'est pas le cas, vous devez alors modifier la courbure du fil de cuivre jusqu'à ce que les feuilles se touchent.
Testez votre électroscope
Pour le prouver, vous pouvez appliquer les notions théoriques décrites précédemment dans l'article, comme détaillé ci-dessous:
- Assurez-vous que l'électroscope n'est pas chargé: pour cela, touchez-le avec une tige en métal pour éliminer toute charge restante dans l'appareil.
- Charge électrique d'un objet: frottez un ballon contre un chiffon en laine pour charger la surface du ballon à charge électrostatique.
- Approchez l'objet chargé dans la spirale de cuivre: avec cette pratique, l'électroscope sera chargé par induction et les électrons du globe seront transférés à l'électroscope.
- Observez la réaction des feuilles métalliques: les triangles de la feuille d'aluminium s'éloigneront l'un de l'autre, car les deux feuilles partagent une charge du même signe (négatif dans ce cas).
Essayez de réaliser ce type de test les jours secs, car l'humidité affecte généralement ce type d'expériences à la maison car il est difficile pour les électrons de passer d'une surface à une autre.
