Détecteur de champ électrostatique - détecteur d'orages (version 1) :
Ce détecteur permettra de surveiller le champ électrostatique, donc de surveiller l'approche d'un orage, ce qui peut être pratique pour les radio-amateurs (rangement des antennes) ou chasseurs d'orages. Le détecteur décrit ici permet d'indiquer grâce à un galvanomètre, l'état du champ électrostatique , c'est à dire la polarité (positif ou négatif) ainsi que la quantité (élevé ou faible). En temps normal, le champ électrostatique de la Terre est presque nul, l'aiguille du galvanomètre ( l'afficheur pour ce montage) est positionné au milieu de l'écran (niveau nul).
Mais sous un cumulonimbus, la charge du sol étant positif, le détecteur capte ce champ et l'aiguille du galvanomètre tend vers la droite de l'écran. Lors d'un coup de foudre, il y a injection de charges négatives sur un sol positif (pour un coup de foudre négatif), l'aiguille passe de la zone positive à la zone négative (gauche de l'écran du galvanomètre), puis revient vers la zone positive (le sol se recharge en électricité statique positif) et lorsqu'un autre éclair apparait, ce même phénomène ce crée ... Cet appareil peut aussi être utilisé pour les expériences en électrostatique (générateur de Van der Graaf, roue de Bonetti, machine de Wimshurst ...).
Explications :
La base d'un cumulonimbus (en fin de formation) se charge en électricité statique négatif, tandis que son sommet se charge positivement, grâce aux frottements entre les gouttelettes et les cristaux de glace. Remarque : Cette différence de potentiel entre la base et le sommet forment des éclairs de type intra-nuageux. Pour équilibrer les charges entre le sol et la base du cumulonimbus, le sol de la Terre devient positif, créant une différence de potentiel entre la base et le sol. L'air sec en temps normal est un isolant (diélectrique), mais tout isolant (verre, plastiques ...) devient conducteur à une certaine tension, cette tension se nomme tension de claquage, tension qui varie en fonction du diélectrique. La tension de claquage de l'air est de 30Kv par cm, 3 fois moins si l'air est humide. Pour qu'un coup de foudre se forme, la tension entre le sol et la base doit être très élevé, mais celle ci peut varier en fonction du relief (plaines, montagnes ...) . Une fois que la tension devient suffisamment élevé, un traceur se forme vers la charge opposé (+ vers - ou - vers +), au même moment, un autre traceur se forme (principalement sur une pointe - effet de pointe) et la rejoindre le premier, une fois la connexion établie, l'arc de retour se forme, c'est le coup de foudre. Ce coup de foudre permet d'équilibrer les charges positives et négatives.
Fonctionnement interne et schéma :
Schéma :
La lecture du champ s'effectue sur le galvanomètre 100µA. Cette valeur est un compromis, 10µA est vraiment trop sensible (aiguille tout le temps positionné aux extrémités), 250µA est peu sensible. Le potentiomètre R4 de 100Kohm permet de régler l'aiguille du galvanomètre au milieu de l'écran, c'est le positionnement à 0. L'autre potentiomètre, R3 de 100Kohm permet de régler la sensibilité de l'appareil. Si le curseur est réglé pour obtenir une résistance nulle (aux bornes du potentiomètre), la sensibilité sera maximale et minimale si le curseur est réglé pour obtenir une résistance maximale. La résistance R2 est une résistance de polarité, la valeur de 1.8Kohm n'est pas très critique et peut être remplacé par une valeur comprise entre 1.5 à 2.7Kohm. Une puissance de 1/4W est correct.La résistance R1 de 10Mohm protège la gate du FET (représenté par la flèche). L'extrémité de cette résistance est connecté sur le tube DIRECTEMENT (voir montage). Le FET (le détecteur dans ce montage), ici un 2N3819 peut être remplacé par n'importe quel autre FET, supportant le même courant que le 2N3819 ( soit J310, MPF102, BF244 ...). ATTENTION : un FET est sensible aux décharges électrostatique, à manipuler avec précaution.
L'alimentation s'effectue avec une pile de 9V, la consommation étant très faible, l'appareil peut fonctionner des mois sans aucun problèmes. Un interrupteur permet de couper l'alimentation, aucun témoin n'est présent (LED par exemple), car celui-ci consommerais bien plus que le montage lui-même. Une embase peut être relié en parallèle sur la pile pour alimenter l'appareil avec une alimentation externe (bloc d'alimentation de 9V).
Réalisation :
Montage du capteur :
Pour la description suivante, le disque de diamètre 15 cm est une plaque de circuit imprimé double face découpé proprement et ébavuré pour éviter les fuites électrostatique. Ce disque doit être percé au milieu d'un trou de 1mm pour pouvoir faire passer un fil (ou patte de résistance) des deux côtés, ce fil est soudé au disque pour avoir une connexion des deux côtés.
Ce disque est soudé au milieu à un tube de cuivre de diamètre allant de 5 à 10mm. Ce tube peut mesurer 20 à 40 cm.
Photos du montage du capteur :
Capteur vue général .
Vue de dessous du disque et du tube de cuivre
Détail de la soudure, qui doit être la plus proche possible, pour ne pas avoir d'effet de pointe (pertes) ...
Vue en coupe du disque. Montage du fil et de la soudure réalisé entre le fil et les deux couches du disque.
Montage du détecteur :
Le boitier doit être métallique pour éviter d'accumuler des charges électrostatique, et de fausser la valeur du champ sur l'écran du galvanomètre.
Astuce : Il est possible de modifier l'affiche du panneau interne (avec l'échelle) pour pouvoir l'adapter au montage.
Le boitier sera percé d'un trou ayant le même diamètre que le tube en plastique isolant, et placé sur le dessus de la boite, vers le milieu. Le tube de longueur 50 mm sera positionné dans le trou, à 25 mm du bord de la boite, il sera collé pour le fixer.
Vu le nombre de composants, aucun circuit n'est nécessaire. Les branchements se feront à l'air, sur une barrettes à cosses soudable (voir montage). La barrette sera fixé au fond du boitier vers le milieu par une pièce isolante (tous de que vous avez sous la main), mais vérifiez qu'aucune broche ne touche le fond du boitier. Un fil sera soudé dans le boitier et à la masse du montage (par exemple le - de la pile, ou la SOURCE du FET). La patte de la résistance de 10méga ohm restera en l'air en attendant le montage avec le disque et le tube de cuivre.
Photos :
Réalisation du petit circuit sur une barrettes de 4 cosses soudable.
Boitier + placement des pièces (la présentation peut être différente en fonction de vos gouts, ou de la taille du boitier).
Montage des deux assemblages (disque-tube et boitier) :
Le tube + disque doit rentrer dans le tube fixé au trou, mais un carré de plexiglas (percé au milieu, de diamètre de 8mm, à 5mm de profondeur) sera intercalé entre le bout du tube et le fond de la boite, pour éviter que le tube touche le fond. N'oublions pas que le tube DOIT être parfaitement isolé de la boite. Une fois la pièce de plexiglass intercalé, elle doit être fixé au fond de la boite (vérifier que le tube et le disque sont droit) avec de la colle. La patte à l'air de la résistance sera soudé sur le tube de cuivre.
Réglages :
Si le montage est soigné, dès la mise sous tension, l'appareil doit fonctionner.
Réglage du zéro central :
Pour cela, il faut relier le disque (ou la tige de cuivre) au châssis du boitier (ou une autre masse) avec un fil ou avec ses mains, pour évacuer les décharges électrostatiques éventuels. Mettez le curseur de R3 vers le milieu de sa course et régler le potentiomètre R4 pour que l'aiguille se positionne au milieu de l'écran du galvanomètre.
Réglage de la sensibilité :
il faut juste tourner le curseur du potentiomètre R3 en fonction de la sensibilité désiré.
Attendez que la colle soit sèche pour utiliser l'appareil.
Voila, l'appareil est terminé, bon tests !
Liste du matériel :
1 FET 2N3819 ou équivalent (attention aux brochages)
1 résistance de 10Mohm 1/4W
1 résistance de 2.2Kohm (1.8Kohm à 2.7Kohm) 1/4W
2 potentiomètres de 100Kohm linéaires
2 boutons pour potentiomètres (a vous de voir pour les formes, couleurs, matériaux)
1 galvanomètre 100µA
1 inverseur 2 positions simple pour boitier
1 coupleur de pile 9V ou 1 coupleur tiroir (pour pouvoir démonter la pile sans démonter le boitier)
1 barrette de 4 cosses soudable (comme ceux des TSF) sinon 1 barrette mâle 1 rangée de 4 contacts
1 pile 9V
1 mètre de fil 0.5mm² (pour relier les potentiomètres et galvanomètres)
1 plaque de circuit imprimé de 15 cm double face (a découper pour former un cercle de 15 cm de rayon) sinon disque de 15 cm de cuivre.
1 tube de 8mm de cuivre, longueur 20 à 40 cm (comme vous voulez).
1 tube plastique de 50 mm de longueur, de diamètre un peu supérieur au diamètre du tube de cuivre (rentré un peu en force).
1 boitier métallique (dimensions minimales : Largeur 65mm, hauteur 55mm, profondeur 80mm)
1 morceau de plexiglas (ou autre isolant) de 30x30 mm, forme de carré (ou cercle), percé au milieu d'un trou de même diamètre que le tube de cuivre, profondeur 5 mm.
1 fer à souder
1 pince coupante
fil à souder 1 mm
colle forte multi-usages
crayons - règle ...
Les dessins seront remplacés par des photos lorsque je pourrais réaliser l'appareil ...
Ce détecteur permettra de surveiller le champ électrostatique, donc de surveiller l'approche d'un orage, ce qui peut être pratique pour les radio-amateurs (rangement des antennes) ou chasseurs d'orages. Le détecteur décrit ici permet d'indiquer grâce à un galvanomètre, l'état du champ électrostatique , c'est à dire la polarité (positif ou négatif) ainsi que la quantité (élevé ou faible). En temps normal, le champ électrostatique de la Terre est presque nul, l'aiguille du galvanomètre ( l'afficheur pour ce montage) est positionné au milieu de l'écran (niveau nul).
Mais sous un cumulonimbus, la charge du sol étant positif, le détecteur capte ce champ et l'aiguille du galvanomètre tend vers la droite de l'écran. Lors d'un coup de foudre, il y a injection de charges négatives sur un sol positif (pour un coup de foudre négatif), l'aiguille passe de la zone positive à la zone négative (gauche de l'écran du galvanomètre), puis revient vers la zone positive (le sol se recharge en électricité statique positif) et lorsqu'un autre éclair apparait, ce même phénomène ce crée ... Cet appareil peut aussi être utilisé pour les expériences en électrostatique (générateur de Van der Graaf, roue de Bonetti, machine de Wimshurst ...).
Explications :
La base d'un cumulonimbus (en fin de formation) se charge en électricité statique négatif, tandis que son sommet se charge positivement, grâce aux frottements entre les gouttelettes et les cristaux de glace. Remarque : Cette différence de potentiel entre la base et le sommet forment des éclairs de type intra-nuageux. Pour équilibrer les charges entre le sol et la base du cumulonimbus, le sol de la Terre devient positif, créant une différence de potentiel entre la base et le sol. L'air sec en temps normal est un isolant (diélectrique), mais tout isolant (verre, plastiques ...) devient conducteur à une certaine tension, cette tension se nomme tension de claquage, tension qui varie en fonction du diélectrique. La tension de claquage de l'air est de 30Kv par cm, 3 fois moins si l'air est humide. Pour qu'un coup de foudre se forme, la tension entre le sol et la base doit être très élevé, mais celle ci peut varier en fonction du relief (plaines, montagnes ...) . Une fois que la tension devient suffisamment élevé, un traceur se forme vers la charge opposé (+ vers - ou - vers +), au même moment, un autre traceur se forme (principalement sur une pointe - effet de pointe) et la rejoindre le premier, une fois la connexion établie, l'arc de retour se forme, c'est le coup de foudre. Ce coup de foudre permet d'équilibrer les charges positives et négatives.
Fonctionnement interne et schéma :
Schéma :
La lecture du champ s'effectue sur le galvanomètre 100µA. Cette valeur est un compromis, 10µA est vraiment trop sensible (aiguille tout le temps positionné aux extrémités), 250µA est peu sensible. Le potentiomètre R4 de 100Kohm permet de régler l'aiguille du galvanomètre au milieu de l'écran, c'est le positionnement à 0. L'autre potentiomètre, R3 de 100Kohm permet de régler la sensibilité de l'appareil. Si le curseur est réglé pour obtenir une résistance nulle (aux bornes du potentiomètre), la sensibilité sera maximale et minimale si le curseur est réglé pour obtenir une résistance maximale. La résistance R2 est une résistance de polarité, la valeur de 1.8Kohm n'est pas très critique et peut être remplacé par une valeur comprise entre 1.5 à 2.7Kohm. Une puissance de 1/4W est correct.La résistance R1 de 10Mohm protège la gate du FET (représenté par la flèche). L'extrémité de cette résistance est connecté sur le tube DIRECTEMENT (voir montage). Le FET (le détecteur dans ce montage), ici un 2N3819 peut être remplacé par n'importe quel autre FET, supportant le même courant que le 2N3819 ( soit J310, MPF102, BF244 ...). ATTENTION : un FET est sensible aux décharges électrostatique, à manipuler avec précaution.
L'alimentation s'effectue avec une pile de 9V, la consommation étant très faible, l'appareil peut fonctionner des mois sans aucun problèmes. Un interrupteur permet de couper l'alimentation, aucun témoin n'est présent (LED par exemple), car celui-ci consommerais bien plus que le montage lui-même. Une embase peut être relié en parallèle sur la pile pour alimenter l'appareil avec une alimentation externe (bloc d'alimentation de 9V).
Réalisation :
Montage du capteur :
Pour la description suivante, le disque de diamètre 15 cm est une plaque de circuit imprimé double face découpé proprement et ébavuré pour éviter les fuites électrostatique. Ce disque doit être percé au milieu d'un trou de 1mm pour pouvoir faire passer un fil (ou patte de résistance) des deux côtés, ce fil est soudé au disque pour avoir une connexion des deux côtés.
Ce disque est soudé au milieu à un tube de cuivre de diamètre allant de 5 à 10mm. Ce tube peut mesurer 20 à 40 cm.
Photos du montage du capteur :
Capteur vue général .
Vue de dessous du disque et du tube de cuivre
Détail de la soudure, qui doit être la plus proche possible, pour ne pas avoir d'effet de pointe (pertes) ...
Vue en coupe du disque. Montage du fil et de la soudure réalisé entre le fil et les deux couches du disque.
Montage du détecteur :
Le boitier doit être métallique pour éviter d'accumuler des charges électrostatique, et de fausser la valeur du champ sur l'écran du galvanomètre.
Astuce : Il est possible de modifier l'affiche du panneau interne (avec l'échelle) pour pouvoir l'adapter au montage.
Le boitier sera percé d'un trou ayant le même diamètre que le tube en plastique isolant, et placé sur le dessus de la boite, vers le milieu. Le tube de longueur 50 mm sera positionné dans le trou, à 25 mm du bord de la boite, il sera collé pour le fixer.
Vu le nombre de composants, aucun circuit n'est nécessaire. Les branchements se feront à l'air, sur une barrettes à cosses soudable (voir montage). La barrette sera fixé au fond du boitier vers le milieu par une pièce isolante (tous de que vous avez sous la main), mais vérifiez qu'aucune broche ne touche le fond du boitier. Un fil sera soudé dans le boitier et à la masse du montage (par exemple le - de la pile, ou la SOURCE du FET). La patte de la résistance de 10méga ohm restera en l'air en attendant le montage avec le disque et le tube de cuivre.
Photos :
Réalisation du petit circuit sur une barrettes de 4 cosses soudable.
Boitier + placement des pièces (la présentation peut être différente en fonction de vos gouts, ou de la taille du boitier).
Montage des deux assemblages (disque-tube et boitier) :
Le tube + disque doit rentrer dans le tube fixé au trou, mais un carré de plexiglas (percé au milieu, de diamètre de 8mm, à 5mm de profondeur) sera intercalé entre le bout du tube et le fond de la boite, pour éviter que le tube touche le fond. N'oublions pas que le tube DOIT être parfaitement isolé de la boite. Une fois la pièce de plexiglass intercalé, elle doit être fixé au fond de la boite (vérifier que le tube et le disque sont droit) avec de la colle. La patte à l'air de la résistance sera soudé sur le tube de cuivre.
Réglages :
Si le montage est soigné, dès la mise sous tension, l'appareil doit fonctionner.
Réglage du zéro central :
Pour cela, il faut relier le disque (ou la tige de cuivre) au châssis du boitier (ou une autre masse) avec un fil ou avec ses mains, pour évacuer les décharges électrostatiques éventuels. Mettez le curseur de R3 vers le milieu de sa course et régler le potentiomètre R4 pour que l'aiguille se positionne au milieu de l'écran du galvanomètre.
Réglage de la sensibilité :
il faut juste tourner le curseur du potentiomètre R3 en fonction de la sensibilité désiré.
Attendez que la colle soit sèche pour utiliser l'appareil.
Voila, l'appareil est terminé, bon tests !
Liste du matériel :
1 FET 2N3819 ou équivalent (attention aux brochages)
1 résistance de 10Mohm 1/4W
1 résistance de 2.2Kohm (1.8Kohm à 2.7Kohm) 1/4W
2 potentiomètres de 100Kohm linéaires
2 boutons pour potentiomètres (a vous de voir pour les formes, couleurs, matériaux)
1 galvanomètre 100µA
1 inverseur 2 positions simple pour boitier
1 coupleur de pile 9V ou 1 coupleur tiroir (pour pouvoir démonter la pile sans démonter le boitier)
1 barrette de 4 cosses soudable (comme ceux des TSF) sinon 1 barrette mâle 1 rangée de 4 contacts
1 pile 9V
1 mètre de fil 0.5mm² (pour relier les potentiomètres et galvanomètres)
1 plaque de circuit imprimé de 15 cm double face (a découper pour former un cercle de 15 cm de rayon) sinon disque de 15 cm de cuivre.
1 tube de 8mm de cuivre, longueur 20 à 40 cm (comme vous voulez).
1 tube plastique de 50 mm de longueur, de diamètre un peu supérieur au diamètre du tube de cuivre (rentré un peu en force).
1 boitier métallique (dimensions minimales : Largeur 65mm, hauteur 55mm, profondeur 80mm)
1 morceau de plexiglas (ou autre isolant) de 30x30 mm, forme de carré (ou cercle), percé au milieu d'un trou de même diamètre que le tube de cuivre, profondeur 5 mm.
1 fer à souder
1 pince coupante
fil à souder 1 mm
colle forte multi-usages
crayons - règle ...
Les dessins seront remplacés par des photos lorsque je pourrais réaliser l'appareil ...
(avec schéma en 3d et tout 
Jvais surement prendre un disque de cuivre pour le récepteur car pour en circuit je sais pas trop ou trouver ça ^^ Pour le tube en cuivre c'est bon =D
ops: 
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