| Dans les manuels ,la plupart des exemples sur le travail se réfèrent à la pesanteur -- comme par exemple la section précédente # 18. Si vous soulevez une brique du sol à une table, vous effectuez un travail et gagnez de l'énergie potentielle. En retour cette énergie peut être reconvertie en travail pour soulever une brique différente.
Mais la nature se réserve également d'autres forces, telles que la force électrique.
La Force ElectriqueLa matière habituelle se compose d' electrons négatifs et de noyaux atomiques positifs, dont les polarités électriques s'attirent . C'est ce qui maintient les atomes ! Il y a une quantité égale de charges électriques positives et négatives dans la matière habituelle.Cependant, le frottement d'un morceau de verre sur un tissu sec de laine , enlevant des électrons , le laisse positif, tandis que les électrons sont captés par le tissu, dont la charge électrique devient négative. D'autres matériaux (comme l'ambre) attirent des électrons du tissu et deviennent négatifs une fois frottés. Les objets à charge positive attirent ceux qui ont une charge négative, mais deux objets, positivement ou négativement chargés, se repoussent . On peut détacher de cette façon des électrons de la matière, mais le processus a ses limites. Supposons que des électrons supplémentaires soient déposés sur un objet : celui ci se charge négativement, et repousse dès lors fortement tous les électrons supplémentaires : Une nouvelle addition de charge devient impossible Mathématiquement ,on peut parler d' une "pression électrique" négative (également connue sous le nom de "voltage" négatif, puisqu'elle est mesurée en unités appelées volts) repoussant toutes autres charge négative. Si cette tension devient trop importante, des électrons peuvent être repoussés au loin, en étincelle. Un effet symétrique existe avec les charges positives, qui peuvent attirer de force les électrons du matériel environnant. C'est le cas de la foudre, quand les charges électriques se séparent dans un nuage noir (voir ci-dessous) et créent des tensions élevées. En général, les pointes créent des étincelles même aux basses tensions, alors que les grandes sphères lisses y résistent. Il faut noter de plus que la force répulsive (ou attirante) n'existe qu' en dehors de la sphère : on ne peut observer aucune force ou tension électrique à l'intérieur d'une enceinte close. Il vous plaira de savoir que si une carlingue d'avion, en aluminium et fermée, est heurtée par la foudre, vous êtes protégé contre tous les effets électriques.
L'Invention de Van de GraaffA Princeton, en 1929, Robert Van de Graaff a inventé un procédé nouveau pour charger une sphère creuse à des tensions élevées. Il l'a montée sur une haute colonne isolée de l'intérieur et parcourue par une bande en caoutchouc tournant entre deux poulies - une à l' intérieur de la sphère, l'autre (entraînée par un moteur) à la base de la colonne. En outre, une source de tension négative est placée dans la base, reliée à une série de pointes, " arrosant " la charge électrique négative de la bande. On pourrait aussi pulvériser une charge électrique positive -- mais ici il est commode de parler des électrons. L'autre côté de la source de tension est mis à la terre, de sorte que lorsque que les électrons sont pulvérisés au loin, aucun autres ne viennent les remplacer, et qu' il n' y a aucune charge positive excessive.Puisque le caoutchouc n'est pas conducteur d'électricité (c'est-à-dire, ne permet pas aux charges électriques de se déplacer d'un point à l'autre, comme dans le métal ), la ceinture transporte ses charges à l'intérieur de la sphère, ou une autre série de pointes , placées près de la ceinture, les recueille . Des fils relient ces pointes à la sphère, et ainsi la charge est répartie partout. Progressivement, la sphère devient de plus en plus négative. Cela n'empêche pas l'apport des électrons à l'intérieur du creux intérieur, mais la différence de tension par rapport à l' extérieur peut monter cependant à quelques millions de volts. Quand la tension devient assez élevée, une étincelle comparable à la foudre atteint la terre ou à une cible métallique adéquate. Des machines de ce type sont exposées au musée de Boston de la Science et fournissent aux visiteurs des démonstrations impressionnantes
Energie et travail effectuésQuand que les sphères se chargent vers le haut, elles accumulent de l'énergie électrique. D'où vient cette énergie? Simple. Nous avons dit que même lorsque la sphère est chargée jusqu'à des millions de volts, les forces électriques sont absentesà l'intérieur , et il n' y a aucune difficulté à récupérer les charges apportée par la ceinture. Mais à l'extérieur de la sphère, ces forces existent ! Pour charger des charges électriques négatives sur la bande, il faut surmonter la force répulsive F de celles qui y sont déjà... et donc effectuer un travail ! Le moteur qui doit surmonter cette répulsion, est donc la source d'énergie. Un étudiant tournant la poulie inférieure avec une manivelle pourrait également fournir l'énergie, mais devrait être dehors à cause des étincelles ! |
