Cours 5 - Électricité Tome 2 – Chapitre 1 Tome 2 – Chapitre 2 (début)

Cours 5 - Cours 5 - ÉlectricitéÉlectricitéTome 2 – Chapitre 1Tome 2 – Chapitre 2 (début)

Retour sur le dernier coursRetour sur le dernier cours• Lentilles minces• Loupe• Microscope composé• Télescope • Œil

– Petite précision…Puissance maximale: Pmax = 1/dPP + 1/l

Puissance minimale: Pmax = 1/dPR + 1/lPuissance d’accommodement:

Pacc = 1/dPP-1/dPR

• Questions?

Électrostatique – Tome 2 chapitre Électrostatique – Tome 2 chapitre 11• Charge électrique

– Définition, quantification, conservation

• Différence entre les isolants et conducteurs– Propagation de la charge dans un matériau

• Induction– Séparation de la charge sans contact

• Loi de Coulomb– Force électrique entre 2 charges

élémentaires

• Principe de superposition– Force électrique dans un système à plus

d’une charge

LexiqueLexique• Système SI: Système de Standards Internationaux• Charge élémentaire e

– Unité de base de la charge qualifiant la charge d’une particule (électron: -e, proton, +e)

– e = 1.602 × 10-19 C• C : Coulomb, unité SI de la charge, équivaut à 1 Ampère (A) x 1 seconde

(sec)1 C = 1 A.sec

• Conducteur– Matériau diffusant rapidement la charge à travers tout son volume

• Isolant– Matériau diffusant difficilement la charge à travers son volume.

• Temps de relaxation– Temps nécessaire pour atteindre l’équilibre de charge dans un

matériau• Induction

– Un corps acquérant une charge électrique sans contact l’obtient par induction

• Constante de permittivité du vide ε0 (epsilon 0)– ε0 = 8.85 x 10-12 C2/N.m2

avec N, le newton, l’unité dans le système SI de la forceon peut exprimer la permittivité du vide avec d’autres unités que l’on verra plus tard dans le cours.

Charge électrique (q)Charge électrique (q)• Atome est neutre:

– Composé d’un noyau de protons (charge positive) et de neutrons (électriquement neutres) et d’électrons (charge négative).

• Nombre de protons = Nombre d’électrons

• Ion est un atome auquel un électron a été attaché (ion négatif, ex. Cl-) ou duquel un électron a été détaché (ion positif, ex. Na+)

• Unité de base: e = 1.602 × 10-19 C– Toutes les particules isolées observées ont des

multiples entiers de la charge élémentaire. Les quarks possèdent des fractions de cette charge élémentaire mais n’ont pas été observés isolés (pour l’instant…)

– Charge de l’électron: qe = - e– Charge du proton: qp = + e

• La charge est conservée dans les interactions:– Na+ + Cl- → NaCl +e + -e → 0– n → p + e- + νe 0 → +e + -e + 0

Matériaux conducteurs et isolantsMatériaux conducteurs et isolants•Conducteurs

–Substance laissant circuler les charges librement– temps de relaxation court

•Ex: Cuivre 10-12 sec

–Électron(s) de valence très peu lié(s)

•Électrons sont libres

•Isolants– Substance laissant très difficilement circuler les charges–temps de relaxation long

•Ex: Polystyrène 1010 sec

–Électrons de valence fortement liés

•Liens covalents complets

Il existe un troisième groupe: les semi-conducteurs

Se comporte en général comme des isolants mais leur conductivité est beaucoup plus

élevée. On peut ajouter des impuretés dans leur réseau pour les rendre encore plus

conducteurs.Ex: silicium, germanium

• Principe premier: les charges inverses s’attirent• On approche d’un matériau neutre, un objet chargé

positivement

• Les charges négatives (électrons) sont attirées vers l’objet positif, laissant derrière elles des charges positives (ions)

• Si l’on retire les charges positives (soit en séparant l’objet initialement neutre ou en le mettant à la terre), l’objet restera négativement chargé.

InductionInduction

A B++++

A B++++--

-- -

+++++

A++++--

-- -

B+

++++

A B++++--

-- -

+++++ -

Loi de CoulombLoi de Coulomb•Charles Augustin de Coulomb a établit expérimentalement la loi régissant l’interaction entre deux charges ponctuelles, soit la force électrique:

•La force électrique entre deux charges ponctuelles aura une direction radiale et une symétrie sphérique

•Charges de mêmes signes: force de répulsion (positive)•Charges de signes opposés: force d’attraction (négative)

2204

1

r

qQk

r

qQF

A B

r

A B

rMêmes signes Signes opposés

Principe de superpositionPrincipe de superposition

• S’il y a plusieurs charges, les forces électriques s’additionnent selon le principe de superposition

• Avec FAB : force exercée sur A par B

• Une charge n’applique aucune force sur elle-même

NFFFFF 11413121 ...

Champ électrique – Tome 2 Champ électrique – Tome 2 chapitre 2chapitre 2• Champ électrique

– Définition, orientation, relation avec la force• Lignes de champ• Champ électrique dans les conducteurs• Charges en mouvement dans un champ

électrique uniforme• Distribution de charges continues

– Densité linéique de charge– Densité surfacique de charge

• Dipôles– Champ électrique dans un dipôle– Moment dipolaire électrique– Moment de force– Énergie potentielle

Champ électriqueChamp électrique•Comment les particules chargées interagissent-elles sans se toucher?

–Via le champ électrique•Une charge est entourée d’un champ invisible à portée infinie. Toute autre charge entrant dans ce champ subit son effet. Prenons une charge Q dont la charge qess entre dans le champ d’interaction.

–Le champ électrique est défini comme la force par unité de charge en un point donné.

•Avec la loi de Coulomb:

•Champ électrique est donc:

ess

E

q

FE

Q

qess

2r

QqkF ess

E

2r

QkE

1EF

1E

charges de mêmes signes (+)

ORIENTATION

Champ entre dans unecharge négative

Champ sort d’une charge positive

Force et champ électriqueForce et champ électrique•Vecteur de Force •Module de Force

EqFE

EqFE

ORIENTATIONCharge négative: Force dans la direction opposée du champ

Charge positive : Force dans la direction du champ

Principe de superpositionPrincipe de superpositioni

iN EEEEEE

...321

Lignes de champ - PropriétésLignes de champ - Propriétés• Lignes de champs vont TOUJOURS du

positif au négatif– Charges positives « émettent »– Charges négatives « absorbent »

• Nombre de ligne proportionnel à la charge

• Direction du champ est TANGENTE à la ligne de champ

• Intensité du champ proportionnelle à la densité de lignes

• Lignes de champs ne se coupent JAMAIS

Champ électrique et conducteursChamp électrique et conducteurs

• À l’équilibre électrostatique,– le champ électrique macroscopique

résultant à l’intérieur d’un conducteur homogène est nul

– le champ électrique extérieur à proximité du conducteur est partout perpendiculaire à la surface du conducteur

– la charge excédentaire d’un conducteur (homogène) se répartit sur sa surface