Interaction électrique

I/ Étude qualitative d’une interaction électrique

Soient A et B deux boules en liège ( de faible masse )chaque boules est suspendue à l’extrémité AB d’un fil qui doit être isolant ( voir figure ci-contre ) A B

On électrise ces deux boules et donc elles deviennent porteuses de charges électriques 1er cas : Si qA.qB > 0 ( les deux charges possèdes alors le même type d’électricité ) : On aura une répulsion entre les deux boules Soient FA/B et FB/A les éléments de cette interaction FA/B FB/A

2éme cas : Si qA.qB < 0 ( les deux charges possèdes alors deux types d’électricités différentes ) : On aura une attraction entre les deux boules Soient FA/B et FB/A les éléments de cet interaction FA/B FB/A

Remarques :

Pour les deux cas ci-dessus les deux éléments d’interactions sont :

Directement opposés ( opposés et sur la même droite d’action )

Possèdes une valeur de force commune ||FA/B ||= ||FB/A ||

II/ La loi de Coulomb Énoncé de la loi de Coulomb

Entre deux objets ponctuels (A) et (B ), immobiles, portant respectivement les charges électriques qA et qB et placées

respectivement en A et B , s’établit une force répulsive si les deux charges sont de même nature et une force attractive

si les deux charges sont de signes contraires.

Les éléments de l’interaction sont :

FA/B force exercée par la charge qA sur la charge qB

FB/A force exercée par la charge qB sur la charge qA

Leur valeur commune est donnée par la formule de Coulomb :

AB : la distance entre les deux boules ( m )

K : constante universelle K = 𝟏

𝟒𝝅𝜺𝟎 = 9.109SI

Application :

Deux charges ponctuelles q = 10-8 C et q’= -10 μC placées en deux points A et B distants de d= 4 cm, sont soumises uniquement à l’effet de l’interaction électrique qui règne entre elles.

1) Calculer le module des vecteurs forces électriques s’exerçant sur chaque charge.

2) Représenter à l’échelle les éléments de l’interaction électrique.

3) De combien doit-on rapprocher les deux charges pour doubler l’intensité des forces électriques.

III/ Champ électrique

1) Mise en évidence

Experience 1 : Experience 2 :

Pendule simple Pendule électrostatique

Bâton en ébonite Bâton en ébonite non électrisé ( Q = 0 ) électrisé ( Q ≠ 0 )

La boule reste immobile La boule est attirée vers le bâton

Interprétation :

Le pendule subit une force électrique lorsqu’il se trouve dans une région de l’espace à proximité de la partie électrisée du bâton. Donc la présence des charges électriques à modifiée les propriétés de l’espace qui l’entour. Cette modification est due à l’existence d’un champ électrique créé par les charges électriques portées par le bâton.

2) Définition

Introduction : La notion de champ a été introduite par les physiciens pour tenter d'expliquer comment deux

objets peuvent interagir à distance, sans que rien ne les relie. A la fois la loi de la gravitation universelle de

Newton et la loi de Coulomb en électrostatique, impliquent une telle interaction à distance. Il n'y a pas de fil qui

relie la terre au soleil; celui-ci exerce son attraction à distance. De même, deux charges électriques s'attirent ou

se repoussent dans le vide sans que rien ne les relie, sans aucun support matériel. Pour tenter d'expliquer cela,

Michael Faraday a introduit la notion de champ électrique. Si une charge Q1 a un effet à distance sur une charge

Q2 qui se trouve éloignée, c'est parce que la charge Q1 met tout l'espace qui l'entoure dans un état particulier : la

charge Q1, de par sa présence, produit en tout point de l'espace qui l'entoure, un champ électrique et c'est

l'interaction de ce champ électrique avec la charge Q2 qui produit la force que cette dernière ressent. Cette

notion de champ s'est révélée très utile et très pratique. Elle a pu être utilisée pour décrire d'autres forces

fondamentales que la force électrique et elle permet de décrire les phénomènes de manière élégante.

Définition

Pour définir le champ électrique en un point M de l'espace, on

y place une petite charge d'essai positive q et on regarde la

force de Coulomb F qui s'exerce sur elle, due à la présence des

charges électriques environnantes qui créent le champ

électrique. Le champ électrique en ce point est défini comme

la force par unité de charge : E = 𝑭

𝒒

Remarque : vecteur champ électrique E = 𝑭

𝒒 ( puisque q est une constante on a E et F de même direction )

1ér cas : Si q > 0 on a E et F de même sens 2éme cas : Si q < 0 on a E et F de sens contraire

M (q > 𝟎 ) F F M ( q< 0 ) E E

3) Champ électrique créé par une charge ponctuelle

Dans un liquide isolant (huile de paraffine ou autre) contenu dans un petit cristallisoir, on plonge l’extrémité d’une tige conductrice reliée à l’un des pôles d’une machine électrostatique. Saupoudrons avec des grains légers (graines de ricin ou grain de semoule par exemple) la surface libre du liquide et faisons fonctionner la machine. 1ér cas : Si q > 0 2éme cas : Si q < 0 Les lignes de champ

EM

M EM N P M N’

q > 0 P’ q < 0

R R’

E est toujours dirigé vers l’extérieur E est toujours dirigé vers l’intérieur On dit alors que le champ centrifuge On dit alors que le champ centripète

Propriétés

Ces corps sont électrisés Par influence

Le vecteur champ électrique E est toujours Le vecteur champ électrique E est dans ce cas tangent à la ligne du champ dirigé de la charge + ( + q )à la charge – ( du corps électrisé)

+q

>

4) Champ électrique créé par deux charges ponctuelles

1er cas : si les deux charges sont positives

Spectre du champ Représentation vectorielle

2éme cas : si les deux charges sont de signe contraire

Spectre du champ Représentation vectorielle

Remarque

EM est le vecteur champ électrique créé par la charge q au point M

Les points N, P et R sont équipotentielles c'est-à-dire possède la même

valeur du champ électrique ( de même pour les points N’, P’ et R’ )

L’ensemble des lignes du champ forment le spectre du champ électrique

La valeur du champ électrique créé au point M est EM = 𝑭

𝒒 donc

EM = 𝑲| 𝒒𝑴 |

𝒓𝟐 ( r est la distance entre la charge q et le point M )

EM + E’M = E

EM + E’M = E

Exercice

5) Champ électrique créé entre deux plaques conductrices

E

Les lignes du champ sont des droites parallèles entre eux Conclusion : entre les deux plaques on a un champ électrique uniforme c'est-à-dire que le vecteur champ électrique E garde les mêmes caractéristiques en tout point du champ