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TPE La foudre 1ère S

Voici la production finale de nos travaux pratiques encadrés sur La Foudre. Réalisés en 2012/2013 au lycée Jean Jaurès de Montreuil (classe de 1ère S3) Verstraten Joris, Nguyen Van An et Pinheiro Aliston.
by

Van an Aliston Joris

on 22 February 2013

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Transcript of TPE La foudre 1ère S

TPE sur la foudre Plusieurs centaines d'individus sont foudroyés chaque année en France. Quelques dizaines en décèdent. Comment la foudre se forme-t-elle et quels sont ses effets sur l'organisme et l'environnement ?

Lycée Jean Jaurès, 1ère S3, année 2012/2013 :
VERSTRATEN Joris, NGUYEN Van An,
PINHEIRO Aliston Nous tenterons d'élaborer des théories et de les vérifier à l'aide d'expériences et de recherches documentaires. I. La foudre et l'électricité statique
II. Du ciel à la terre
III. Les effets sur l'environnement La foudre est un phénomène naturel, assimilé à de l'électricité et « reliant » un nuage à la terre. Elle s'accompagne d'un grondement, le tonnerre. Ce phénomène se produit surtout pendant les orages, et frappe alors la terre plusieurs fois par minute.
Le flash lumineux est appelé éclair. On cherche à connaître l'origine de ce phénomène. La voie la plus sérieuse que nous avons trouvé est celle de l'électricité statique. I.La foudre et l'électricité statique L'électricité statique : La matière est composée d'atomes.
Ils sont de charge électrique neutre car leurs électrons négatifs et leur noyau positif s'équilibrent. On parle d'électricité statique lorsqu'il n'y a pas mouvement de charges électriques. Lorsque des électrons négatifs tentent de quitter leur noyau, on obtient un déséquilibre qui peut provoquer des phénomènes électriques plus ou moins importants. Les corps de charges opposées s'attirent (ceux de même charge se repoussent), et cette interaction est d'autant plus forte que la différence de « potentiel » est grande. Soit F a/b la force exercée par un corps de charge Q1 sur un corps de charge Q2 à une distance d : Il existe deux types d'électricité statique : L'életricité résineuse, appelée ainsi car produite en frottant du tissu sur un matériau comme du plastique ou de l'ambre (identifiée plus tard comme un surplus d'électron, donc de charge -). L'électricité vitreuse, appelée ainsi car produite en frottant du tissu sur un matériau comme du verre (identifiée plus tard comme un manque d'électrons, donc de charge +). Fa/b = Fb/a = k x Q1 x Q2 / d² avec k = 8.99 x 10 ^ 9 N . m² . C-² Expérimentations : On réalise une expérience avec une tube en plastique que l'on frotte contre un bout de tissu et que l'on approche de boulettes de papier.
La règle acquiert ainsi un surplus d'électrons, et ceux-ci repoussent les charges négatives des boulettes au loin.
Ainsi, la partie la plus proche du tube devient positive et l'attraction l'emporte sur la répulsion : les boulettes se collent. On réalise ensuite deux expérience avec la machine de Wimshurst : Expérience n° 1 : La première consiste en une simple utilisation de ladite machine. En effet, lorsque l'on actionne la roue, celle-ci accumule des charges négatives sur un condensateur, et l'autre devient positif par influence : les électrons de la partie jusqu'alors neutres fuient par un câble relié au sol, et on obtient ainsi une face positive et une négative, comme pour les boulettes de papier. Une fois que la différence de tension entre les deux sphères métalliques est suffisamment importante, les électrons passent d'une sphère à l'autre en formant un arc électrique. Les électrons se repoussant, ils cherchent, lorsqu'ils sont en trop grande quantité, à fuir vers un milieu de charge neutre ou positive, ici l'autre éclateur car il est relié à la terre, soit le potentiel 0 le plus grand... sur Terre. Plus la distance entre les deux est grande, plus la différence doit être importante et plus il faut tourner la manivelle rapidement. Expérience n°2 : On connecte chaque extrémité métallique à une plaque faite en matériau conducteur. Entre les deux plaques placées à une dizaine de centimètres de distance, on suspend une sphère métallique. Une plaque est négative et l'autre le devient, par influence. Lorsqu'on produit du courant à l'aide de la machine (voir expérience précédente), la balle se rapproche de la plaque chargée négativement puis de celle chargée positivement et fait des aller-retours rapides. Interprétation : Les électrons en surnombre sur la plaque négative, repoussent les électrons de la sphère au "pôle" opposé, créant un pôle + et un pôle - (polarisation). Les charges opposées s'attirent donc. Au contact de la plaque, la sphère devient négative et elle est repoussée par la plaque elle-même négative.
Au contact de la plaque positive, les électrons « fuient » la sphère en trop plein pour la plaque. La sphère redevenue neutre repart donc dans l'autre sens et recommence un aller-retour. II. Du ciel à la terre Les éclairs ne se forment que dans des conditions très particulières.
On retrouve cependant des orages tout autour du globe. On peut néanmoins noter qu'ils se produisent surtout dans les régions chaudes. Carte des impacts de foudre dans le monde Les nuages dans lesquels se forment la plupart des éclairs sont des cumulonimbus , des immenses nuages qui peuvent aller jusqu'à 18 000 mètres de hauteur.
(nous pouvons d'ailleurs en voir un en image de fond). Lorsqu'on constate un écart important de température, quand le temps est chaud et sec par exemple, de forts vents se forment dans les nuages. Ceux-ci balancent les molécules d'eau présentes dedans dans tous les sens. Les cristaux de glace et l'eau liquide, présents au bas du nuage, montent vers le haut que les particules de grésil (grains de glace de quelques millimètres qui se forment à haute altitude), tombent par gravitation. Il faut donc un climat instable, que l'on trouve plus facilement à l'équateur. Au passage, il arrachent des charges négatives aux particules ascendantes et on se retrouve ainsi avec un « bas » du nuage chargé négativement tandis que le haut est chargé positivement. De là, des phénomènes électrostatiques peuvent apparaître...
Par ailleurs, comme on l'a montré en partie I, les particules de même charge se repoussent. Les particules négatives en bas du nuage ont ainsi tendance à repousser les charges négatives du sol, sous le nuage, celui-ci acquérant donc, en temps d'orage, une charge positive. Comme nous l'avons vu en partie I, des électrons peuvent passer d'un ensemble à un autre si la différence de potentiel est suffisamment importante.
En effet, au-delà d'un certain seuil, l'air est rendu conducteur. Il faut pour cela un champ électrique très important, de l'ordre du million de volt/m
(environ 10 000 Volt/cm pour la machine de Wimshurst). Quand la tension est suffisamment élevée, un précurseur ou traceur se forme. Il s'agit en fait d'un canal ionique, de l'air rendu conducteur par le fort champ électrique. Au fur et à mesure qu'il progresse, la tension diminue jusqu'à qu'elle ne soit plus assez importante pour permettre le passage des électrons. A ce moment là, le précurseur s'arrête tant que la tension n'est pas suffisante pour en former un autre. Le champ électrique augmente ensuite à nouveau, ce qui permet de créer un nouveau traceur depuis l'extrémité du premier. Quand deux traceurs se rejoignent (deux traceurs de deux nuages différents, deux traceurs à l'intérieur du même nuage ou un traceur du sol et un traceur d'un nuage), les électrons passent et un éclair se forme.
C'est pour cela que les lieux en hauteurs sont plus souvent foudroyés : le « chemin » est plus court pour les deux traceurs. http://aurelielem.pagesperso-orange.fr/images/traceur.gif Animation d'un éclair, l'acheminement des traceurs est ici distinct. Il y a donc deux types d'éclairs distincts : les éclairs nuage-sol (voir animation) et les éclairs intra-nuageux et inter-nuageux. Ces derniers se forment quand on trouve une différence de potentiel importante entre les deux parties d'un même nuage ou deux nuages (les deux extrémités sont dans tous les cas de charge opposée). Éclair intranuageux Éclair internuageux L'Effet de pointe : Les objets au sol pointus ont tendance à électrifier l'air autour d'eux, augmentant ainsi le champ électrique local, jusqu'à pouvoir former un traceur.
C'est pour cela que des traceurs partent également du sol et que la foudre frappe généralement les objets pointus. Le coup de foudre descendant : les charges électriques «s'enfuient» vers un lieu de charge opposée, en empruntant le canal d'ions créé par les traceurs et forment un ou plusieurs éclairs.
Ici, le précurseur qui est à l'origine de l'éclair part du nuage Ils sont les plus nombreux. Le coup de foudre ascendant : les électrons empruntent le canal vers le lieu de charge positive.
Ici, le précurseur à l'origine de l'éclair provient du sol. Ces éclairs sont plus rares et plus puissants. Une fois que le contact est établi entre le nuage et le sol, on a deux types de scénarios : Note : des éclairs peuvent aussi se produire entre une partie du nuage chargée positivement (le haut) et une partie du sol chargée négativement (les charges négatives "sous" la partie négative du nuage peuvent être repoussées plus loin car les charges de même signe se repoussent). http://fr.wikipedia.org/wiki/Foudre http://fr.wikipedia.org/wiki/Foudre http://energieetfoudre.over-blog.com/ http://www.fotocommunity.fr/pc/pc/display/11985311 http://www.infoclimat.fr/ http://cpge.pissarro.free.fr/LeRille/videos.html Une manifestation de l'électricité statique III. Les effets de la foudre sur l'environnement La foudre frappe environ un million de fois le sol par an, en France uniquement.
Cette activité a un impact sur l'environnement et sur les être vivants. Tout d'abord, elle a des effets sur les végétaux et serait à l'origine de 15 000 à 20 000 incendies en France. Par temps sec, ces feux peuvent se propager sur de grandes surfaces et fragiliser ainsi l'écosystème. Les arbres foudroyés sont également très nombreux et peuvent être à l'origine de ce phénomène. http://foudre.chasseurs-orages.com/viewtopic.php?t=1043 Les animaux sont également très affectés par cette manifestation de l'électricité naturelle. Des petits oiseaux sont souvent retrouvés morts après un orage, foudroyés, désorientés ou victimes d'un arrêt cardiaque suite au stress lumineux et sonore provoqué. En cas d'orage particulièrement violent, cela peut prendre des proportions démesurées : Le phénomène s'est produit aux États-Unis,
la cause météorologique reste la plus probable. " Certains éclairs qui se sont produits ont été particulièrement puissants avec une intensité comprise entre 380 000 et 540 000 ampères(A), alors que 99% des éclairs ont une intensité inférieure à 200 000 A.
Les ornithologues soulignent qu‘à cette époque de l'année, les oiseaux migrent en bandes et qu'une perturbation peut facilement les désorienter. Ainsi, au moins pour Beebe, l'hypothèse météorologique semble la plus plausible " dit le site. http://www.notre-planete.info/actualites/actu_2651_mortalite_massive_oiseaux_Etats-Unis.php#close La foudre peut avoir différents effets sur les plus grands animaux (dont l'homme), en fonction des circonstances :
Force est de constater que l'électricité, ça fait mal. Les dégâts dépendent surtout de l'intensité, tandis que le voltage donne la taille de l'éclair. Ainsi, avec des générateurs spécifiques, on peut générer des éclairs impressionnants, mais peu dangereux (mais ça fait toujours mal). Petite expérience au palais de la découverte : Les dessins de la partie qui suit ont tous été pris sur :
http://tpefoudre-wimshurst.pagesperso-orange.fr/Phenomene_de_la_foudre.html Le coup de foudre direct :
La foudre atteint la personne et parcourt le corps jusqu'au sol. La liaison est directement établie entre le nuage et l'individu (ou un objet qu'il tient au-dessus de sa tête). Malgré sa nature impressionnante ce type de foudroiement n'est pas le plus dangereux. Foudroiement par éclair latéral :
Ce genre d'accident arrive généralement quand un individu se tient sous un abri conducteur (comme un arbre) ou près d'un objet directement foudroyé. Ainsi, comme nous l'avons vu dans la partie I, le corps surchargé par la foudre va décharger une partie de ses électrons et comme dans l'expérience avec la machine de Wimshurst ou dans la vidéo, une liaison s'établit et un éclair se forme entre les deux corps. Ce type de foudroiement est aussi dangereux qu'un foudroiement direct. Dans la nature, on a 4 cas majeurs de "coup de foudre" : Foudroiement par tension de pas :
L'éclair frappe le sol et si un animal ou un homme se trouve à proximité de l'impact, le courant va entrer par une jambe (ou tout autre partie du corps en contact avec le sol) et ressortir par l'autre. Ainsi plus l'écart est grand entre les deux jambes, plus la tension qui va parcourir le corps sera grande et plus les dégâts seront importants. Voilà pourquoi on entend dire que les vaches craignent la foudre. Coup de foudre indirect :
L'individu entre en contact avec un matériau ou un objet lui-même foudroyé, comme un poteau. Le courant traverse alors une partie plus important du corps jusqu'à la terre.
Voilà pourquoi ce genre d'électrisation est plus dangereuse. Le cumulonimbus est caractérisé par deux spécificités qui lui sont propres : Tout d'abord, il a une extension verticale très forte : sa base se situe généralement à moins de deux kilomètres du sol tandis que son haut peut aller jusqu'à quinze kilomètres. Il s'arrête souvent au niveau de la tropopause, qui sépare la troposphère et la stratosphère.
La partie haute du nuage est constituée, de par son altitude élevée, de cristaux de glace. Il a également une forme d'enclume : le haut du cumulonimbus est "étalé". Cela s'explique par le fait que le nuage atteigne justement la limite de la troposphère. A cause des conditions atmosphériques et météorologiques, les nuages ne peuvent que très difficilement dépasser la tropopause; et le haut du nuage s'aplatit donc à ce niveau. Étude de la foudre : L'observation de la foudre ou d'anciens impacts de foudre peut avoir un intérêt dans d'autres domaines que les sciences physiques.
On peut prendre l'exemple du paléomagnétisme. Des roches comme le minerai de fer, si elles sont foudroyées, peuvent fondre car la température atteint plusieurs dizaines de milliers de degrés. Ainsi, les minéraux présents à l'intérieur de la roche, sont libres et certains vont s'orienter en fonction du champ magnétique de la Terre contemporain. Une fois refroidis, les minéraux gardent leur orientation, même si le champ magnétique change à nouveau, et cela permet d'établir quels champs magnétiques la Terre a connus à quelles époques. Conclusion : Nous avons mis en évidence l'existence d'une électricité « statique », par plusieurs expériences et recherches documentaires, et nous l'avons reliée au phénomène naturel de la foudre.
Bien que ses effets soient particulièrement dangereux pour tous les êtres vivants, son impact sur l'écosystème global est très faible et l'événement est relativement rare. Mis à part les dégâts sur les végétaux et les incendies qu'elle peut occasionnellement provoquer, elle a donc peu d'impact sur l'environnement. La plupart des constructions humaines récentes sont d'ailleurs protégées contre la foudre grâce à deux principes fondamentaux : le paratonnerre et la cage de Faraday, que nous ne détaillerons pas ici. Cage de faraday : Paratonnerre : Exemple de paratonnerre dysfonctionnant : Biblio, sito et filmographie :

- Livre de Physique-Chimie de 1ère S et de Terminale S
- LA FOUDRE, Claude GARY, édition MASSON, 1994
- Les articles de Wikipédia sur la foudre et l'électricité
- Le site d'un tpe sur la foudre : http://tpefoudre.canalblog.com/
- Un épisode de « C'est pas sorcier » sur la foudre :
http:/ /www.youtube.com/watch?v=k6O-RG6rW0Q
- Un site de météorologie amateur : http://passion.astro.meteo.free.fr/orages/consequence.php
- Les images d'éclairs ainsi que la carte des impacts de foudre ont été trouvées sur google images.
- Les schémas et les documents non référencés ont été réalisés par nos soins. http://images.toocharger.com/fiches/graphique/eclair/65352.htm Désolé, la vidéo passe mal sur certains ordinateurs : on peut voir un membre de notre groupe s'approcher d'une structure et recevoir un éclair. On peut également remarquer que la foudre a de nombreuses application dans de diverses disciplines, notamment les SVT, avec l'exemple du paléomagnétisme (voir la parenthèse "Étude de la foudre") ou de la recherche d'énergies nouvelles (le phénomène de la foudre étant renouvelable indéfiniment). Remerciements à nos professeurs de physique-chimie et de sciences de la vie et de la Terre, qui nous ont suivis dans ce projet pendant plusieurs mois, ainsi qu'aux chercheurs du palais de la découverte qui nous ont permis de réaliser et de filmer des expériences plus poussées sur l'électrostatique. Un "JT" réalisé le 13/02 dans le cadre des TPE. Il porte sur la partie II et explique la formation de la foudre.
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