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

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

2 Retour sur le dernier cours Lentilles minces Loupe Microscope composé Télescope Œil –Petite précision… Puissance maximale: P max = 1/d PP + 1/l Puissance minimale: P max = 1/d PR + 1/l Puissance daccommodement: P acc = 1/d PP -1/d PR Questions?

3 Électrostatique – Tome 2 chapitre 1 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 dune charge

4 Lexique Système SI: Système de Standards Internationaux Charge élémentaire e –Unité de base de la charge qualifiant la charge dune particule (électron: -e, proton, +e) –e = × 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 léquilibre de charge dans un matériau Induction –Un corps acquérant une charge électrique sans contact lobtient par induction Constante de permittivité du vide ε 0 (epsilon 0) –ε 0 = 8.85 x C 2 /N.m 2 avec N, le newton, lunité dans le système SI de la force on peut exprimer la permittivité du vide avec dautres unités que lon verra plus tard dans le cours.

5 Charge électrique (q) Atome est neutre: –Composé dun noyau de protons (charge positive) et de neutrons (électriquement neutres) et délectrons (charge négative). Nombre de protons = Nombre délectrons 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 = × C –Toutes les particules isolées observées ont des multiples entiers de la charge élémentaire. Les quarks possèdent des fractions de cette charge élémentaire mais nont pas été observés isolés (pour linstant…) –Charge de lélectron: q e = - e –Charge du proton: q p = + e La charge est conservée dans les interactions: –Na + + Cl - NaCl +e + -e 0 –n p + e - + ν e 0 +e + -e + 0

6 Matériaux conducteurs et isolants Conducteurs –Substance laissant circuler les charges librement – temps de relaxation court Ex: Cuivre 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 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

7 Principe premier: les charges inverses sattirent On approche dun matériau neutre, un objet chargé positivement Les charges négatives (électrons) sont attirées vers lobjet positif, laissant derrière elles des charges positives (ions) Si lon retire les charges positives (soit en séparant lobjet initialement neutre ou en le mettant à la terre), lobjet restera négativement chargé. Induction A B ++++ A B A B A B

8 Loi de Coulomb Charles Augustin de Coulomb a établit expérimentalement la loi régissant linteraction 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 dattraction (négative) AB r AB r Mêmes signesSignes opposés

9 Principe de superposition Sil y a plusieurs charges, les forces électriques sadditionnent selon le principe de superposition Avec F AB : force exercée sur A par B Une charge napplique aucune force sur elle- même

10 Champ électrique – Tome 2 chapitre 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

11 Champ électrique Comment les particules chargées interagissent-elles sans se toucher? –Via le champ électrique Une charge est entourée dun champ invisible à portée infinie. Toute autre charge entrant dans ce champ subit son effet. Prenons une charge Q dont la charge q ess entre dans le champ dinteraction. –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: Q q ess charges de mêmes signes (+) ORIENTATION Champ entre dans une charge négative Champ sort dune charge positive

12 Force et champ électrique Vecteur de Force Module de Force ORIENTATION Charge négative: Force dans la direction opposée du champ Charge positive : Force dans la direction du champ Principe de superposition

13 Lignes 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

14 Champ électrique et conducteurs À léquilibre électrostatique, –le champ électrique macroscopique résultant à lintérieur dun conducteur homogène est nul –le champ électrique extérieur à proximité du conducteur est partout perpendiculaire à la surface du conducteur –la charge excédentaire dun conducteur (homogène) se répartit sur sa surface


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