TPE : le climat, [les éclairs]

De la mécanique au nucléaire, nos physiciens sont à l'écoute
farator
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par farator » 16 Oct 2007, 20:45

cependant, si tu as certaines choses sur le champ électrique, l'ionanisation de l'air, ca pourrait etre sympa !


Ouais, j'en ai parlé dans mon tpe !
J'essaie de retrouver mon dossier de tpe sur mon disque dur (c'est pas gagné ^^), et je reviens poster d'ici ce soir ou demain.
Cependant, ce sont des choses assez basiques, que tu as sans doute déjà !
Mais ça fait rien, ça coûte rien et ça peut peut-être servir ! :++:



lapras
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par lapras » 16 Oct 2007, 21:00

Ok merci ! :happy2:
A demain

farator
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par farator » 16 Oct 2007, 21:45

- Pour le champ électrique: Il s’agit de la différence de potentiel entre deux charges ; il est noté E et s’exprime en V.m-1 (Volts par mètre). S’il est important, il peut entraîner des décharges car l’air devient conducteur. Plus il est élevé et plus les décharges électriques sont fortes. Il peut être facilement crée entre deux plaques si une tension entre les deux existe. Or dans le cas des orages, une plaque est la surface terrestre, qu’on considère par référence comme de tension nulle (0 V.m-1). L’autre est la partie basse du nuage, qui est électrifiée fortement et négativement.
Une relation relie le champ électrique, la tension et la distance entre le nuage et la surface terrestre :
E = (UAB)/AB
A représente le nuage
B représente un point de la surface terrestre situé en dessous du nuage
E = champ électrique en V.m-1
|UAB| = différence de potentiel entre le nuage et la terre en V
AB = distance entre le nuage et la terre en m

On a fait tout une expérience sur le champ électrique avec la machine de Wimshurst, qui permet de produire des petits éclairs. Peut-être que vous en avez une dans votre lycée, puisque nous c'était le cas:

Il s’agit d’une machine électrostatique inventée en 1882 par l'anglais James Wimshurst.
Elle se compose de deux disques isolants en plexiglas sur lesquels sont collés des pastilles métalliques en cuivre. Grâce à une manivelle on fait tourner les disques en sens inverse (l’un vers la gauche et l’autre vers la droite). Deux balais métalliques en zinc pour chaque disque servent à créer des charges électriques par frottement avec les pastilles. L’un crée des charges positives et l’autre des charges négatives. Ces charges opposées sont stockées dans des condensateurs, et chaque condensateur est relié a une boule métallique. Lorsque les charges dans les condensateurs sont importantes, une décharge se produit et un petit éclair jaillit entre les deux boules (appelées éclateurs) qu’on a au préalable rapprochées.

Image



- Pour l'électrisation des nuages : L’activité électrique dans le cumulonimbus est dûe aux particules d’eau liquide et de glace, nommées hydrométéores. La famille des hydrométéores glacées est constituée de cristaux de glace, de flocons de neige, de particules de grésil et de grêle.
L’eau liquide est aussi présente dans le nuage, depuis les gouttelettes de la taille du micron jusqu’aux gouttes « précipitantes » de quelques millimètres.
La formation et la répartition des charges électriques dans le nuage seraient dûes au phénomène de précipitation, qui met en jeu trois types d’hydrométéores : les cristaux de glace, les particules de grésil et les gouttelettes d’eau.

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Il se produit un transfert de charge lorsque les cristaux de glace et les particules de grésil se rencontrent, portées par le vent. Ce phénomène produit de l’électricité statique par frottement.

Image

L’exemple classique est celui de la baguette de verre ou de plastique que l’on frotte avec un chiffon de laine. Des charges sont « arrachées » à la baguette sous l’effet du frottement. Lorsqu’on approche la baguette (ici chargée négativement) d’un objet chargé positivement, l’objet est attiré par la baguette, car deux charges électriques de signes différents s’attirent.
Dans le nuage, le transfert de charge varie en fonction de la température : inférieure à -10°C (dans la partie la plus haute du nuage), les cristaux se chargent positivement et le grésil négativement, et inversement pour une température supérieure à -10°C (dans la partie basse du nuage). Fin de la deuxième phase : le cumulonimbus est électrisé et tout est réuni pour que se développe une grande activité électrique.

Image

Bon voilà, je sais pas du tout si ca peut t'apporter qques trucs...
:++:

lapras
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par lapras » 17 Oct 2007, 10:00

Merci !
La partie qui m'interesse est celle du haut sur le champ électrique, mais elle ne rentre pas assez dans les détails, en tout cas merci quand même pour ton aide !! :++: :we:

farator
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par farator » 17 Oct 2007, 16:05

Oui je m'en doutais !
Les éclairs n'étaient qu'une petite partie de notre TPE.
Mais je te conseille vraiment de te renseigner pour savoir si tu peux utiliser une machine de wimshurst. En prenant des petites vidéos d'éclairs, et en les expliquant physiquement grâce au champ électrique, ça rend super bien à l'oral !:++:

lapras
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par lapras » 17 Oct 2007, 16:10

Je peux utiliser la machine de wimshurt, mais je ne vais pas le faire.
je vais utiliser du papier canson pour repérer les lignes équipotentielles (avec un générateur électrique)

farator
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par farator » 17 Oct 2007, 16:19

A ouais
Mais ça se fait pas avec des feuilles de papier carbone ça ??

lapras
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par lapras » 17 Oct 2007, 16:35

Si mais ca marche aussi avec du papier canson( de préférence noir car y'a plus de carbone)

Dominique Lefebvre
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par Dominique Lefebvre » 17 Oct 2007, 19:10

Bonsoir Lapras,

Comme promis, voici un moyen de calculer le champ électrique moyen à la surface de la Terre à partir des mesures de gradient de champ électrique et du théorème de Gauss.

Imaginons que je fasse des mesures de valeur du champ électrique en fonction de l'altitude (hors de toute ligne à haute tension, antennes GSM ou autres sources électromagnétiques). Je mesure un champ de valeur E1 à l'altitude h1 et E2 à l'altitude h2.
Pour fixer les idées , les valeurs moyennes sont de E1 = 90 V.m-1 à h1 = 100 m et E2 = 30 V.m-1 à h2 = 1000 m (ce sont les vraies valeurs moyennes!).


La charge sur la surface fermée comprise entre les deux sphères r+h1 et r+h2 (r = rayon de la terre) est :
Q = rho*4*pi*(r+h1)^2*(h2 - h1)

Le flux du champ électrique que j'appelle P, à travers cette surface est égal à:

P = E1*4*pi*(r+h1)^2 - E2*4*pi*(r+h2)^2

Je simplifie l'expression en notant que h1 << r et h2 << r et donc finalement
P = 4*pi*r^2*(E1 - E2)
et avec les mêmes approximations
Q = rho*4*pi*r^2*(h2 - h1)

J'applique le théorème de Gauss (en simplifiant P = Q/epsilon0) soit

P = Q/epsilon0 => 4*pi*r^2*(E1 -E2) = rho*4*pi*r^2*(h2 - h1)/epsilon0

d'où rho = epsilon0*(E1 - E2)/h2-h1.

soit environ 6*10^-13 C.m^-3

On en déduit la valeur du champ électrique au sol E0 à h0 = 0.
rho = epsilon0*(E0 - E1)/h1-h0 d'où E0 = E1 +rho*h1/epsilon0.

Si tu fais le calcul, tu trouveras E0 à environ 100 V.m-1. c'est la composante normale du champ électrique terrestre.

PS: il y a un moyen plus simple de faire le calcul, mais on est convenu d'en rester au théorème de Gauss...

lapras
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par lapras » 18 Oct 2007, 19:55

Bonsoir
merci dominique pour le calcul.
Excuse moi, j'ai pas beaucoup de temps pour me plonger dedans, j'ai énormément de boulot :cry:
Mais je regarde ca de plus pres ce week end !
:++:

Lillo
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par Lillo » 19 Oct 2007, 19:43

Dominique Lefebvre a écrit:Bonsoir Lapras,

Comme promis, voici un moyen de calculer le champ électrique moyen à la surface de la Terre à partir des mesures de gradient de champ électrique et du théorème de Gauss.

Imaginons que je fasse des mesures de valeur du champ électrique en fonction de l'altitude (hors de toute ligne à haute tension, antennes GSM ou autres sources électromagnétiques). Je mesure un champ de valeur E1 à l'altitude h1 et E2 à l'altitude h2.
Pour fixer les idées , les valeurs moyennes sont de E1 = 90 V.m-1 à h1 = 100 m et E2 = 30 V.m-1 à h2 = 1000 m (ce sont les vraies valeurs moyennes!).


La charge sur la surface fermée comprise entre les deux sphères r+h1 et r+h2 (r = rayon de la terre) est :
Q = rho*4*pi*(r+h1)^2*(h2 - h1)

Le flux du champ électrique que j'appelle P, à travers cette surface est égal à:

P = E1*4*pi*(r+h1)^2 - E2*4*pi*(r+h2)^2

Je simplifie l'expression en notant que h1 4*pi*r^2*(E1 -E2) = rho*4*pi*r^2*(h2 - h1)/epsilon0

d'où rho = epsilon0*(E1 - E2)/h2-h1.

soit environ 6*10^-13 C.m^-3

On en déduit la valeur du champ électrique au sol E0 à h0 = 0.
rho = epsilon0*(E0 - E1)/h1-h0 d'où E0 = E1 +rho*h1/epsilon0.

Si tu fais le calcul, tu trouveras E0 à environ 100 V.m-1. c'est la composante normale du champ électrique terrestre.

PS: il y a un moyen plus simple de faire le calcul, mais on est convenu d'en rester au théorème de Gauss...



Désolé pour le flood mais je voulais juste dire que je suis scié, c'est vraiment impressionnant de voir des personnes manier aussi bien autant de notions... c'est surement le résultat de beaucoup de travail...

Dominique Lefebvre
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par Dominique Lefebvre » 19 Oct 2007, 20:31

Lillo a écrit:Désolé pour le flood mais je voulais juste dire que je suis scié, c'est vraiment impressionnant de voir des personnes manier aussi bien autant de notions... c'est surement le résultat de beaucoup de travail...


ce calcul n'a vraiment rien d'impressionnant: on le fait en exo dans le cours d'électrostatique de math sup (enfin, quand j'étai en math sup...), c'est une application simple du théorème de Gauss.
En fait, on peut faire le même calcul en 5 lignes en utilisant les équations de Maxwell...

lapras
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par lapras » 23 Déc 2007, 14:55

Bonjour,
C’est ainsi qu’au milieu du nuage se forme à partir de la galette négative un couloir ionisé qui progresse par bonds d’une dizaine de mètres, à une vitesse de quelques milliers de kilomètres par seconde en direction de la Terre. Ce canal ionisé est appelé traceur ou précurseur. Au fur et à mesure de la progression de l’avalanche, les charges s’éloignent des zones de champ fort et à un moment donné, le champ ressenti par les électrons émis au sein du canal ne les accélère plus suffisamment pour qu’ils puissent provoquer de nouvelles ionisations. L’avalanche est stoppée et le canal se stabilise. L’effet du champ électrique est toutefois suffisant pour rassembler les charges ce qui a pour effet d’augmenter alors localement le champ qui franchit de nouveau le seuil nécessaire d’accélération des électrons pour l’ionisation : l’avalanche peut reprendre. C’est ce phénomène qui donne aux éclairs une apparence de progression sous forme de branches ou de bonds lors de leur déclenchement. Cela traduit aussi le fait que l’éclair est à la recherche du trajet de moindre résistivité au sein de l’atmosphère.




C'est un extrait du site de l'X,
J'ai du mal a imaginer le phénomène d'avalanche dont ils parlent dans la partie en gras.
Pouvez vous m'éclairer ?
car si j'ai bien compris, en fait les électrons et ions sont accélérés par le champ électrique [Lequel ? terrestre ?] et a un moment le champ électrique n'est plus assez fort [pourquoi?] mais l'augmentation du champ électrique local entraine une nouvelle accélération des particules ?
c'est floue....

 

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