cours 5 - Électricité tome 2 – chapitre 1 tome 2 – chapitre 2 (début)
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Cours 5 - Cours 5 - ÉlectricitéÉlectricitéTome 2 – Chapitre 1Tome 2 – Chapitre 2 (début)
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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?
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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
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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.
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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
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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
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• 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++++--
-- -
+++++ -
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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
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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 ...
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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
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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
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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
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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
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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