I) L'action de l'électricité statique dans la formation de la foudre (Suite)

B - Quel est le rôle de l’électricité statique dans la formation de la foudre ?

1) Les cumulonimbus

Le cumulonimbus est un nuage de la famille des cumulus. C’est un grand nuage vertical. Sa base se situe la plupart du temps à plusieurs centaines de mètres du sol (entre 200 et 2000 mètres). Les cumulonimbus sont en général observables de la troposphère, espace atmosphérique où la température diminue, jusqu’à la tropopause, qui est atteinte par sa limite supérieure. Ce nuage peut donc atteindre des altitudes allant de 8 à 18 kilomètres.

Différents espaces atmosphériques

La forme de ce nuage peut être assimilée à une enclume du fait de la forme de son sommet qui est aplati. Sa base peut également être quasi-horizontale.

Cumulonimbus

Les cumulonimbus sont en général en un seul bloc. Ils sont différents des autres nuages par leur taille, leur verticalité ainsi que leur capacité à produire des phénomènes électriques car ce sont des nuages chargés en électricité. Ils sont souvent à l’origine de phénomènes naturels violents tels que les fortes averses, la foudre, les tornades et la grêle. Le nom cumulonimbus vient du latin « cumulus » = amas, et « nimbus » = nuage. Son étymologie lui a valut le surnom de « roi des nuages ».

Il possède un équilibre électrique qui s’établit entre une grande charge électrique positive (de 10 à 50 C), surtout présente dans sa partie supérieure, et une charge électrique négative de taille similaire située dans sa partie médiane et séparée de la charge positive supérieure par une zone quasi neutre. Dans la partie inférieure du nuage, en dessous de l'isotherme de 0°C, il existe une petite poche positive, équivalente à environ 10 % de la charge positive supérieure (en général comprise entre 1 et 5 C).

  Répartition des charges électriques dans un cumulonimbus
 

2) Formation de la foudre

Un cumulonimbus se forme en général lorsque de l’air chaud et humide s’élève dans l’atmosphère. Cet air se refroidit et se condense au fur et à mesure qu’il monte et créé des gouttelettes d’eau et de la glace. Les masses d’air chaud et les masses d’air froid se frottent ce qui crée une séparation entre les charges électriques.

Le nuage d’orage a alors sa partie inférieure chargée négativement et sa partie supérieure chargée positivement. Des charges électriques positives s’accumulent alors dans le sol en dessous du cumulonimbus et un champ électrique extrêmement fort se crée petit à petit entre le sol et la base du nuage. Celui-ci peut atteindre 20 000 V/m. Les charges électriques du nuage réussissent alors à se frayer un chemin vers le sol car l’air n’est pas un isolant parfait, et le long de ce chemin il se produit une série de décharges électriques qui éclatent à une vitesse telle que l’on ne perçoit qu’une seule et même décharge : c’est la foudre. Ce chemin par lequel les charges électriques atteignent le sol peut également se former entre deux nuages.

La différence de charge électrique entre les deux points peut parfois atteindre 100 millions de volts, et créer alors un plasma lors de la décharge. Un plasma est un milieu constitué d'un mélange de particules neutres, d'ions positifs et d’électrons. Lorsque le plasma se dissipe, on peut voir un éclair de lumière et entendre un grondement appelé le tonnerre. La vitesse de la lumière (3,00 x 10⁸ m.s^-1) étant plus importante que celle du son (3,37 x 10²m.s^-1), l'éclair de lumière est visible avant que l'on entende la décharge sonore.

En atteignant le sol, la foudre touche surtout les zones de haute altitude ainsi que les gros objets. Le même phénomène se produit également à l’intérieur du cumulonimbus, entre les parties supérieures et inférieures : cette foudre représente en fait 70 % du total des décharges orageuses, ce qui fait d’elle un danger majeur pour les avions.

Enfin, les cumulonimbus étant à l’origine des orages, la foudre est la plupart du temps accompagnée de fortes pluies, de grêle et de vents forts.

Deux éclairs de lumière

Le phénomène d’électrisation du nuage est tellement complexe qu’il existe plusieurs théories pouvant l’expliquer. Cependant, les scientifiques pensent qu’une seule est assez crédible :

La foudre ne se forme que dans les cumulonimbus car ils ont la capacité de stocker des charges électriques positives ou négatives, comme un condensateur. Cette capacité est due au fait que les cumulonimbus sont des nuages d’origine convective. Cela signifie qu’il y a de violents déplacements d’air à l’intérieur du nuage. De plus, ces nuages peuvent contenir des particules comme de la glace, ou de la poussière, qui facilitent le transfert d’électrons dans le nuage.

Les particules qui se condensent sous l’effet de la très basse température au sommet du nuage puis descendent vers la base du nuage. Lors de leur descente, elles se réchauffent et deviennent plus légères.

Ainsi, grâce aux courants ascendants, les particules se trouvant à la base du nuage vont remonter jusqu’au sommet. Inversement, les « grosses » particules se trouvant au sommet vont tomber à cause de la gravité. Et c’est au cours de cette chute que celles-ci vont se cogner contre les autres particules, ce qui a pour conséquence un transfert d’électrons entre particules et donc l’électrisation du nuage.

Si la température à l’intérieur du nuage est en dessous des -15° C, les particules se chargent négativement, alors que si la température est au dessus des -15° C, les particules se chargent positivement. Puisque la température du nuage varie en fonction de l’altitude, cela explique pourquoi le nuage a une structure tripolaire, c’est-à-dire une couche chargée négativement à la base du nuage, et deux couches chargées positivement : une au sommet du nuage et une petite couche à sa base.

3) Machine de Wimshurst

A ce stade de notre étude, nous nous sommes intéressés à la façon dont on pouvait simuler de la foudre, et plus particulièrement à la machine de Wimshurst que nous avons pu observer et manipuler dans nos salles de TP. 

James Wimshurst, né le 13 avril 1832 à Londres et décédé 3 janvier 1903, est un physicien britannique.

Il est le créateur en 1882  d’une machine électrostatique dite à « influence » qui porte son nom : la machine de Wimshurst.

Machine de Wimshurst de notre lycée

Description :

Cette machine comporte deux disques identiques en matériaux isolants sur lesquels sont collés des bandes de papier d’étain. Les deux disques effectuent des rotations en sens opposés l’un par rapport à l’autre sous l’action de la manivelle que l’on tourne. Sur chacun des côtés, des balais frottent dans un premier temps sur les disques récupérant ainsi les charges des disques. Ces balais vont dans un second temps stocker l’énergie dans des condensateurs. A proximité de chacun des deux balais il y a deux sphères appelées les éclateurs.

Le principe :
Les bandes de papier d’étain présentes sur chaque disque sont neutres au départ de l’expérience. Lorsque les disques tournent, les balais vont recueillir ou transmettre des charges électriques. Les balais vont transmettre les charges aux condensateurs. Lorsque la tension sera suffisamment élevée dans les condensateurs, les électrons vont se déplacer de l’électrode négative à l’électrode positive.  Il y aura ensuite la formation d’un arc électrique au niveau des sphères. Les condensateurs redeviennent neutres lorsque que l’on voit l’arc électrique.

Courant électrique entre les deux éclateurs de la machine

 

Cette machine de Wimshurst sera utilisée dans la suite de notre projet pour simuler l’effet de la foudre sur une feuille et un morceau d’écorce d’un arbre.