Brevet FR2283496A1 — publié le 19760326

La présente invention concerne un matériel pédagogique visant à mettre en évidence la présence, le module et le sens d'un champ électrique afin de réaliser toute une série d'expériences visant à illustrer un cours d'électrostatique ou d'électrocinétique. Ce matériel est conçu aussi bien pour l'ensei- gnement secondaire que pour le premier cycle de l'enseignement supérieur. A notre avis il n'existe pas à l'heure actuelle de dispositif de ce type. Les méthodes classiques basées sur l'emploi d'un électroscope, d'un pendule léger ou de l'orientation de particules électrisées placées entre les deux lames d'un condensateur s'avèrant pédagogiquement pas très bonnes car leur insensibilité donne à penser que le champ électrique ne se manifeste que près d'une génératrice électrostatique ou entre les lames d'un condensateur alimenté par une d. d. p. de plusieurs milliers de volts. Le dispositif suivant l'invention permet d'obtenir une mise en évidence très simple d'un champ électrique et cela avec une excellente sensibilité. Réagissant de façon différente à l'approche d'un morceau de plastique ou de verre préalablement frotté il fournira la perche idéale au professeur pour introduire la notion de deux électricités: l' une résineuse ou négative l'autre vitreuse ou positive. Ces expériences volontairement faites avec les moyens du bordS une règle en plastique, le verre d'une bouteille démystifieront la notion de champ électrique et feront voir à l'élève que le champ électrique est quelque chose d'aussi réel que le champ magnétique. Le dispositif objet de l'invention comporte un amplificateur à très haute impédance d'entrée. L'élément fondamental est un transistor à effet de champ canal N ou P ou dans une version plus élaborée une paire complémentaire de transistors à effet de champ. L'amplificateur peut être réalisé à éléments discrets ou utiliser un circuit intégré du type amplificateur opérationnel à FET d'entrée. Les figures 1 et 2 donnent le schéma en éléments discrets ou intégrés de l'appareil réalisé. Le principe de fonctionnement est évident. Les portes des FET T1 et T2 ou l'entrée + de l'amplificateur opérationnel sont reliées à une antenne isolée constituée par une vingtaine de centimètres de fil conducteur. Si on approche un corps chargé électriquement de cette antenne il apparait dans celle-ci une tension qui fait conduire T1 ou T2 ou qui fait basculer la sortie de l'amplificateur opérationnel verè le + ou vers le suivant la polarité de la charge approchée de l'antenne. La lampe L1 ou L2 s'allume alors permettant ainsi de reconnaitre la polarité de la charge approchée.L'intérêt d'utiliser deux lampes réside dans le fait que l'on peut mettre en évidence la direction du champ électrique suivant que l'une ou l'autre des lampes s'allume. Une version simplifiée consisterait à n'utiliser que la moitié droite ou gauche du montage de la figure 1. Une confusion peut alors se produire : l'absence de champ électrique pouvant être confondue avec un champ électrique tendant à éteindre la lampe. I1 faut remarquer que les montages des figures 1 et 2 ne répondent qu'aux variations du champ électrique et non à un champ statique. En effet au bout du temps plus ou moins long fonction de l'intensité du champ où se trouve l'antenne et de la résistance d'entrée porte source des FET le potentiel de la porte devient égal à celui de la source et tout se passe comme si l'antenne voyait un champ nul.Pour permettre à notre appareil objet de l'invention de répondre en permanence à un champ électrique statique il suffit d'animer l'antenne d'un mouvement rectiligne alternatif de quelques dixièmes de mm en la fixant par exemple sur la membrane d'un écouteur alimenté par une tension de 1000 Hz. L'appareil ainsi modifié pourra, moyennant un étalonnage et le remplacement de la lampe de visualisation par un milliampèremètre servir à la mesure de l'amplitude d'un champ électrique. Pour connaitre en plus le sens du champ électrique la détection doit être du type synchrone, le signal de référence étant fourni par la source de tension servant à animer l'antenne d'un mouvement alternatif. Le dispositif objet de l'invention permet de façon spectaculaire de mettre en évidence un champ électrique ; un simple bâton de plexiglass pouvant à un mètre de distance le commander. A partir de cette possibilité il est facile de déterminer le signe d'une charge électrique, les pôles d'un générateur, la direction et le sens d'un champ électrique, de tracer des lignes équipotentielles, de mettre en évidence les phénomènes d'influence et les effets de blindage. Ce dispositif objet de l'invention peut aussi servir -de capteur de déplacement pour cela il suffit de charger électriquement de façon uniforme ou bien en un point précis l'objet dont on veut surveiller le déplacement, REVENDICATIONS 1-Dispositif permettant de mettre en évidence avec une grande sensibilité un champ électrique à la fois en module et sens, : caractérisé par le fait qu'il comporte un dispositif amplificateur à très haute impédance d'entrée commandant un indicateur en l'occurence deux lampes à incandescence qui s'allument respectivement l'une ou l'autre lorsqu'on approche du montage objet de l'invention un corps chargé positivement ou négativement. 2-Dispositif selon la revendication 1, :caractérisé par le fait qu'il peut non seulement reconnaî- tre le signe d'une charge électrique mais encore la croissance ou la décroissance de l'amplitude d'un champ électrique. 3-Dispositif selon la revendication 1, : caractérisé par le fait qu'il peut être utilisé comme capteur de déplacement, l'objet dont le déplacement est à repérer est chargé électriquement ou localement électriquement. 4-Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que si l'antenne est animée d'un mouvement périodique et si la détection est du type synchrone le signe de la tension délivrée par l'appareil objet de l'invention permet de déterminer en permanence le sens du champ électrique agissant sur l'antenne.