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Electricit Linteraction lectromagntique a t voqu dans la partie Interactions fondamentales en nonant la loi de Coulomb, et en analysant des phnomnes macroscopiques comme le frottement, la cohsion, llasticit, les forces de contact, etc. Linteraction lectromagntique lie la matire sous toutes ses formes observables. Cest elle qui fait tenir les lectrons au noyau atomique, les molcules dans les corps et mme votre nez au visage.
Llectromagntisme englobe les phnomnes lectriques et les phnomnes magntiques. Tous ces phnomnes ont pour cause commune la charge lectrique.
Ltude de llectricit comprend les notions de champ lectrique, de force lectrique, de potentiel lectrique et de tension lectrique (=diffrence de potentiel), dnergie lectrique, de courant lectrique, dintensit de courant lectrique, de rsistance lectrique.
Chapitre 1: Champ lectrique
1. Notion de champ lectrique
a) Exprience fondamentale
Le pendule lectrostatique est constitu par un fin fil isolant auquel est attache une petite boule isolante trs lgre (forme par exemple de moelle de sureau). Il est accroch un support pour qu'il puisse dvier dans tous les sens sous l'action de forces lectriques.
Cette boule va tre charge ngativement par contact avec un autre corps charg ngativement.
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Deux cas se prsentent :
1) Il n'y a pas d'autre corps charg proximit du pendule. Celui-ci reste dans sa position verticale. La boule est en quilibre sous l'action de son poids et de la tension du fil. Il n'y a pas de force lectrique s'exerant sur elle.
2) On approche un bton d'bonite dont l'une des extrmits a t charge ngativement en la frottant avec une peau de chat. Le pendule dvie par rapport sa position verticale. La boule est en quilibre sous l'action du poids, de la tension du fil et de la force lectrique exerce par les charges ngatives du bton d'bonite.
b) Notion de champ lectrique
L'apport du bton d'bonite charg a modifi les proprits lectriques de la rgion dans laquelle se trouve le pendule :
En 1, cette rgion est telle que le pendule n'est pas soumis une force lectrique. En 2, cette rgion est telle que le pendule est soumis une force lectrique.
Les physiciens dcrivent cette proprit lectrique d'une rgion de l'espace par la notion de champ lectrique :
En 1, il ne rgne pas de champ lectrique dans la rgion du pendule. En 2, il rgne un champ lectrique dans la rgion du pendule.
Ce champ lectrique est cr par le bton d'bonite charg. c) Dfinition du champ lectrique Un champ lectrique est une rgion de l'espace o une charge lectrique est soumise une force lectrique.
Consquences :
* Pour contrler s'il rgne un champ lectrique dans une rgion, on y place une petite charge tmoin, et on examine si elle est soumise une force lectrique ou non.
* Le pendule lectrostatique charg peut servir de charge tmoin.
* proximit d'un corps charg rgne un champ lectrique. Tout corps charg est donc source d'un champ lectrique.
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d) Remarques importantes
On distingue rigoureusement entre charge source d'un champ lectrique et charge tmoin.
* La charge tmoin ne sert qu' contrler s'il rgne ou non un champ lectrique.
* La charge source cre le champ lectrique. Dans ce champ peuvent se trouver une ou plusieurs charges tmoin soumises des forces lectriques exerces par la charge source.
* La charge tmoin cre bien sr aussi un champ lectrique. Comme elle est faible, son champ est nglig de sorte que sa prsence ne modifie pas le champ de la charge source.
* Le champ cr par une charge source existe mme en absence de la charge tmoin qui l'a mis en vidence.
e) Exemples
* Les lectrodes fortement charges d'une machine de Whimshurst crent un puissant champ lectrique entre elles.
* La cloche d'un gnrateur de Van der Graaf cre un puissant champ lectrique autour d'elle.
* Les corps neutres ne crent pas de champ lectrique.
* Dans les atomes, chaque lectron se dplace dans le champ lectrique cr par le noyau lectrique et par les autres lectrons.
* Dans un fil conducteur connect aux ples d'un gnrateur de tension rgne un champ lectrique, responsable des forces lectriques qui propulsent les lectrons et crent ainsi le courant lectrique dans le fil.
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2. Dfinition du vecteur champ lectrique
Une charge tmoin q 0 est place en un point M o rgne un champ lectrique. Elle subit une force lectrique F
qui dpend de la valeur de la charge q.
En fait, comme le suggre la loi de Coulomb, cette force est proportionnelle la charge q !
Consquence : Fq
est constant au point M.
On dfinit le vecteur champ lectrique en M par : FEq
Caractristiques du vecteur E
:
* Intensit : FEq
Elle est numriquement gale lintensit de la force lectrique qui sexerce sur une charge tmoin q = 1 C.
* Direction : la mme que celle de la force lectrique F
.
* Sens : si q > 0 : celui de la force lectrique F
si q < 0 : oppos celui de la force lectrique F
FE F q Eq
(formule retenir)
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3. Spectres lectriques. Lignes de champ
a) Exprience
Dans l'espace de deux lectrodes charges l'une positivement (q1 > 0), l'autre ngativement (q2 < 0), on dispose de l'huile contenant des grains de semoule.
Observation : Les grains dessinent des courbes appeles lignes de champ !
Interprtation :
Sous l'influence du champ cr par les charges q1 et q2, les grains de semoule sont polariss. Ainsi chaque grain devient un diple lectrique dont les charges sont soumises une force lectrique exerces par q1 et q2. Ces forces ont pour effet d'orienter le grain paralllement aux forces lectriques.
Conclusion :
Les lignes de champ indiquent en tout point du champ la direction des forces lectriques et donc la direction du vecteur champ lectrique E
.
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b) Lignes de champ du champ lectrique
Dfinition :
On appelle ligne de champ une ligne qui, en chacun de ses points, est tangente au vecteur champ lectrique E
en ce point.
Proprits des lignes de champ :
1) Les lignes de champ ne se coupent jamais.
2) Les lignes de champ sont orientes dans le sens du champ lectrique E
.
3) La direction du champ E
en un point est tangente la ligne de champ.
4) Lintensit du champ E
, note E, est proportionnelle la densit des lignes de champ. (E1 < E2 < E3)
5) Si le champ lectrique est cr par des conducteurs chargs, les lignes de champ partent et entrent perpendiculairement ces conducteurs.
Remarque :
La figure des lignes de champ est une reprsentation du champ. Elle est encore appele spectre lectrique.
c) Exemples de spectres lectriques
* Champ cr par un condensateur charg (deux plaques parallles rapproches charges l'une positivement l'autre ngativement, et avec des charges de mme valeur absolue)
A lexception des rgions aux bords, les lignes de champ sont parallles, perpendiculaires aux plaques, et partout de mme densit
mme vecteur E
en tout point du champ : le champ est uniforme !
Dans la rgion des bords du condensateur, les lignes de champ sont courbes vers l'extrieur. On appelle ce phnomne effet de bord .
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* Champ cr par une charge ponctuelle
Le champ est radial.
* Champ autour d'une pointe
Au voisinage d'une pointe, le champ est particulirement intense.
Le fait que les lignes de champ se resserrent au niveau de la pointe est appel effet de pointe .
C'est aussi cet endroit que passe le courant le plus important (s'il y a conduction de courant).
Applications pratiques de leffet de pointe :
o paratonnerres (ou parafoudres) ;
o lectro-coagulation (technique d'opration o l'on se sert d'un scalpel lectrique pour couper un tissu ou un vaisseau sanguin sans qu'il n'y ait trop de saignements).
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4. Champ lectrique cr par une charge ponctuelle
a) Loi de Coulomb
* Toute charge lectrique exerce une force ( distance) sur toute autre charge: des charges de mme signe se repoussent, des charges de signe contraire s'attirent.
* q1 exerce 1 sur 2F
sur q2; q2 exerce 2 sur 1F
sur q1.
Principe des actions rciproques : 1 sur 2 2 sur 1F F
Normes: F1 sur 2 = F2 sur 1 = F
* L'exprience montre que : 1
1 2 1 22 2 2
2
F qq q q q
F q F F kr r
1Fr
* k = constante de proportionnalit = 9109 units S.I.
La constante k peut tre exprime l'aide d'une autre constante appele permittivit du vide, note 0:
0
1k4
avec 0 = 8,85410-12 units S.I.
* Enonc de la loi de Coulomb:
La force qu'une charge q1 exerce sur une charge q2 se trouvant la distance r de q1 s'crit:
1 22
0
q q1F4 r
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b) Champ lectrique cr par une charge ponctuelle Q (=charge source)
Quel est le vecteur E
en un point M quelconque du champ cr par Q (M la distance r de Q) ?
On place en M une charge test q > 0 :
* Norme de E
:
La force F subie par q dans le champ s'crit :
F q E (1)
D'aprs la loi de Coulomb F s'crit galement :
20
qQ1F4 r
(2)
(1) et (2) Champ E au point M : 20
Q1E4 r
* Direction de E
: droite passant par la charge source et le point M
* Sens de E
: Q > 0: E
centrifuge
Q &l
