Lorentz

Mise en évidence de la force de Lorentz


Solution de CuSO₄	Deux électrodes en cuivre placées dans une boîte de Pétri	Poussière de bois à la surface de la solution

Khalid Benyaich
ULB- Agrégation Sciences Physiques - Juin 2008

Photo du montage

Description

Les ions d'une solution aqueuse d'un électrolyte, en mouvement entre deux électrodes, subissent une force de Lorentz lorsqu'un champ magnétique est appliqué à la solution. La déviation des ions est repérée par de la poussière de bois.

Pourquoi ?

Cette expérience est à présenter à la fin de la partie du cours sur la force de Lorentz. Elle permet, notamment, de:
- tester les connaissances sur la force de Lorentz (évaluation formative).
- faciliter la compréhension, par les élèves, des applications de la force de Lorentz, notamment le spectromètre de masse et le cyclotron. En effet on retrouve dans ces derniers le même principe de base: des particules chargées décrivent une trajectoire circulaire lorsqu'elles sont soumises à un champ magnétique perpendiculaire au vecteur vitesse.
Cette expérience possède aussi l'avantage d'être facile à réaliser.
Le matériel requis est aussi facile à trouver ou à fabriquer.

Appareillage utilisé

Matériel : deux générateurs, deux multimètres, une bobine, des fils de connexion, deux électrodes circulaires en cuivre, une boîte de Petri en verre (sans couvercle) , une solution de CuSO₄.
Quelques précisions:
-Bobine : nombre de spires : 1000, résistance: 10 Ohms, longueur : 70 mm,
munie d'un noyau de fer doux (on peut aussi utiliser un aimant permanent,
voir plus loin)
-Rayons des électrodes : Anode : 2.5 cm; Cathode : 5 cm.
-Rayon de la boîte de Petri : 5.5 cm.
-Solution de CuSO₄ : 8g dans 80 ml d'eau.

Quelques astuces et tours de main

-Vérifier que les deux électrodes plongent bien dans la solution.
-Vérifier que le champ magnétique est bien appliqué dans la région inter-électrodes.
-Bien nettoyer les électrodes avant (et après) utilisation.
-Les électrodes peuvent être fabriquées en découpant une fine plaque en cuivre.

Fonctionnement

-Préparer la solution aqueuse de CuSO₄.
-Mettre les deux électrodes circulaires dans la boîte de Petri et brancher les ensuite au premier générateur.
-Connecter la bobine au deuxième générateur.
-Verser la solution dans la boîte et placer la sur la bobine.
-Mettre un peu de poussière de bois au dessus de la solution.
-Allumer les deux générateurs:
(à titre d'exemple : valeurs des tensions appliquées : 6 V pour le générateur 1; et 13 V pour le générateur 2.)
-Observer le résultat.

Résultats

Voici les résultats typiques en vidéo : cliquer l'image ou sur ce lien.

Sous l'action du champ magnétique crée par l'électroaimant, les ions Cu²⁺ et SO4^2- subissent une force de Lorentz et décrivent ainsi une trajectoire circulaire.
En inversant le sens du courant électrique, le vecteur champ magnétique change de sens, la solution tourne dans l'autre sens.

Interprétation

Les ions Cu²⁺ et SO4^2-ont des charges de signes opposés. Leurs vecteurs vitesses sont de sens opposés ( les ions Cu²⁺migrent vers la cathode, alors que les ions SO4^2-
migrent vers l'anode). Par conséquent, le produit de la charge par le vecteur vitesse , contenu dans l'expression vectorielle de la force de Lorentz, est de même signe pour les deux ions. Résultat: la force est dans le même sens pour les deux ions.

Détails techniques supplémentaires

-La même expérience peut être réalisée avec un matériel plus simple en remplaçant l'électroaimant (générateur et bobine ) par un aimant.
-On peut avoir les mêmes résultats en appliquant une tension plus basse à la solution : par exemple pour un volume de 40 ml de solution on peut descendre jusqu' à 1V.
(d'où une possibilité de remplacer le générateur 1 par une pile !)

Complément

En absence du champ magnétique, cette expérience permet aussi mettre en évidence les surfaces équipotentielles.