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Particules chargées dans un champ électrique ou magnétique
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Dans ce chapitre, nous allons approfondir nos connaissances de l’année dernière concernant les champs électrique et magnétique. Plus précisément, nous nous intéresserons aux mouvements des particules chargées (protons, électrons, ions…) dans un champ électromagnétique. Cette étude nous permettra d’évoquer des applications modernes comme les accélérateurs de particules (LHC au CERN), les spectromètres de masses (wassisdas ?), les pièges à antimatière (si si !) et de revenir sur les aurores polaires pour comprendre plus en détail ce phénomène naturel spectaculaire… |
- Quelques dispositifs utilisant des champs électriques ou magnétiques
1) Champs électriques
- Expérience
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Observation : le spot d’électron est ……………….
Conclusion : un champ …………………..……… permet de …………………… des particules chargées. |
- L’oscilloscope
Compléter le schéma de principe de l’oscilloscope à l’aide des mots suivants : spot / canon à électrons / faisceau d’électrons / écran / condensateur plan
Le condensateur plan P1P2 permet la déviation verticale du faisceau d’électrons correspondant à l’axe des tensions (O, Y)
Le condensateur plan P’1P’2 permet la déviation horizontale du faisceau d’électrons correspondant à l’axe des temps (O, X)
Ex1. Par définition de la masse, le potentiel électrique V(P2) = 0 V.
- a) Représenter le sens du champ électrique créé par le condensateur plan P1P2 dans le cas où V(YA) > 0
- b) Représenter alors le sens de la déviation du spot d’électrons sur l’écran
Conclusion :
Dans un oscilloscope, la déviation du ………………………….……..….. d’électrons est assurée par des champs électriques orthogonaux entre eux produits par des ……………………………………….…………………
2) Champs magnétiques
- Expérience
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Observation : le spot d’électron est ………………
Conclusion : un champ …………………..……… permet de…………………… des particules chargées. |
- Retour au siècle dernier : le téléviseur cathodique
Compléter le schéma de principe d’un téléviseur cathodique à l’aide des mots suivants : écran / canon à électrons / bobines de déviation / faisceau d’électrons
3) Associations de champs électriques et magnétiques
- Un accélérateur de particules : le cyclotron
Le cyclotron est le premier accélérateur de particule inventé par E.O. Lawrence en 1931.
Principe : dans un cyclotron, les particules placées dans un champ magnétique constant suivent une trajectoire en forme de spirale et sont accélérées par un champ électrique alternatif. Le sens du champ électrique s’inverse à chaque demi-tour ce qui accélère les particules à chaque passage.
Compléter le schéma de principe du cyclotron à l’aide des mots suivants : cible / zone de déviation / tension sinusoïdale / zone d’accélération
Ex2. Les particules chargées sont émises au centre du cyclotron avec une vitesse négligeable.
- a) Représenter le sens de la force électrique accélératrice
- b) En déduire la nature > 0 ou < 0 de la charge des particules
Applications : un cyclotron est un accélérateur de particules de taille minime : de l’ordre de 6 m3. Il permet la production d’isotopes radioactifs, et en particulier d’oxygène 15 (15O), de carbone 11 (11C), d’azote 13 (13N), et de fluor 18 (18F), utilisés notamment en médecine. Les isotopes sont obtenus par l’irradiation d’une cible avec les protons accélérés par le cyclotron. Le fluor 18 (isotope à demi-vie courte : 109 minutes) permet de fabriquer du fluorodésoxyglucose (FDG), un sucre radioactif inutilisable par la cellule, qui va s’accumuler préférentiellement dans les zones cancéreuses, fortes consommatrices de glucose. Une tomographie à émission de positons (TEP) permettra de détecter de façon particulièrement fine certains cancers puis de les traiter à des stades très précoces.
Animation : http://www.sciences.univ-nantes.fr/physique/perso/gtulloue/Meca/Charges/cyclotron.html
- Autre accélérateur de particules : le synchrotron
Compléter le schéma de principe du synchrotron à l’aide des mots suivants : électrique / électroaimants / magnétique / cavités accélératrices
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