La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

Cours délectricité 1 G. Barmarin 2012-2013 HEFF HEFF - Cours de Physique 2012-2013 - G. Barmarin.

Présentations similaires


Présentation au sujet: "Cours délectricité 1 G. Barmarin 2012-2013 HEFF HEFF - Cours de Physique 2012-2013 - G. Barmarin."— Transcription de la présentation:

1 Cours délectricité 1 G. Barmarin HEFF HEFF - Cours de Physique G. Barmarin

2 Electricité Les substances qui nous entourent ont normalement autant de protons que délectrons, ce qui en fait des substances neutres. Cependant, il arrive des situations où ces substances perdent leur neutralité (ou deviennent chargées). Les électrons sont des particules mobiles. Elles peuvent voyager à lintérieur dune substance et même dune substance à une autre. Cependant, les protons demeurent toujours dans leur matériau dorigine.

3 Electricité Lorsqu'il y a un phénomène d'électricité statique, les électrons sont transférés dun premier objet à un deuxième objet. Le premier aura nécessairement un surplus de protons (donc, sera positif, car les électrons lont quitté). Le deuxième aura un surplus délectrons (donc, deviendra négatif, car il reçoit les électrons). Il y a deux façons délectriser un objet ou de lui attribuer une charge: par frottement et par contact

4 Electricité Lélectrisation dun objet par frottement Lorsquon frotte un objet contre un autre avec une pression suffisante, les électrons sont arrachés de leur milieu dorigine pour se diriger vers la substance qui a la propriété dattirer davantage les électrons. Il faut donc savoir quelles substances attirent le plus les électrons. On appelle série électrostatique cette liste dans laquelle on classe les substances qui peuvent être chargées en plaçant au début de la liste la substance qui attire le plus les électrons et à la fin de la liste la substance qui les donne le plus facilement.

5 Electricité Si on frotte du caoutchouc avec de la fourrure, le caoutchouc attire les charges négatives (puisquil apparaît avant la fourrure dans la liste) et deviendrait donc négative alors que la fourrure deviendrait positive due à un surplus de charges positives (ou à un manque délectrons). On peut donc remarquer quaprès le frottement, le caoutchouc a un surplus de charges négatives. On dira alors quil est chargé négativement. De la même façon, la fourrure a un surplus de charges positives et cest pourquoi on dira quelle est chargée positivement. Expérience

6 Electricité Ce qui se passe:

7 Electricité Constatation:

8 Electricité Lélectrisation dun objet par contact Une deuxième façon délectriser un objet est de lui transférer par contact un surplus de charges appartenant à un autre matériau ou encore dattirer certaines charges à partir dune autre substance déjà chargée. Il est important de comprendre que dans un matériel contenant un surplus de charges négatives, il y a une répulsion des charges en excès. Donc, quand le matériel chargé touche à la sphère, cette répulsion fait en sorte que ce surplus de charges négatives sera distribué également dans le matériel chargé ainsi que dans la sphère.

9 Électrisation par frottement Transfert délectrons dune substance vers une autre Dépend de laffinité des substances pour les électrons Frottement augmentation surface de contact Triboélectricité Transfert de charge Électrons attirés par la tige Sphère repoussée

10 Electricité Regardons maintenant ce qui se passe si lobjet que lon approche est chargé positivement. On observe cette fois-ci que lobjet chargé positivement attire les charges négatives dans la sphère à charger. La sphère aura donc une charge positive à la fin du processus puisque des électrons ont été transférés. Ce nest que lorsquun objet a été chargé positivement ou négativement que lon observera de lattraction ou de la répulsion entre les objets, ce qui est en fait la conséquence du phénomène délectrostatique.

11 Electricité Conducteurs?Isolants?

12 Electricité Conducteurs Métaux: Ag, Cu, Al… Solutions ioniques: eau contenant du sel… Et donc aussi le corps humain! Isolants: Plasiques Frigolite Ambre Verre Céramique …

13 Isolants et conducteurs Isolant: - charges à mobilité réduite - localisées en zone de production - ex.: bois, plastiques, air, … Conducteur:- charges mobiles - se répartissent uniformément (répulsion mutuelle) - ex.: métaux Aucun matériau nest un isolant parfait !!!

14 Transfert de charge Électrons du corps neutre attirés Établissement dun équilibre Électroscope à feuilles dor Charge déposée se répartit Les feuilles sécartent

15 Répartition de la charge Les charges se repoussent: pas de charge sur surface intérieure du conducteur Charges toujours réparties sur surface extérieure Conducteurs non sphériques: répartition non uniforme autant de charges au 2 extrémités mais concentration différente par unité de surface (~ 1/ ) problème des pointes !

16 Electricité L'électricité statique est associée aux phénomènes de charges électriques au repos, lorsqu'il n'y a pas de circulation des charges électriques (comme dans un circuit conducteur). Étude des charges au repos : lÉlectrostatique

17 Electricité

18 Quel est lintensité de cette force?

19 Electricité F: force en Newtons (N) R: distance en mètres (m) Q: charge en Coulombs (C) K: constante de proportionnalité qui dépend du système dunité 8, N.m 2 /C 2 K = 1/ 4 o ou o est la constante de permittivité du vide ( 8, C 2 /Nm 2 ) La Force est un vecteur aligné sur la droite joignant les charges sens défini par le signe des charges

20 Quelle est la force électrique de deux corps chargés positivement, l'un de 5 x 10-8C et l'autre 8 x 10-7C, placés à 2cm de distance? F = kq 1 q 2 / r 2 k = 9 x 10 9 Nm2C2 q 1 = 5 x C q 2 = 8 x C r = 0,02m F = 9x10 9 5x10 8 8x10 7 / 0,02 2 F = 0,9N Electricité

21 Force électrique Analogie avec la gravitation: loi en 1/r 2 Gravitation nulle à lintérieur dune couche sphérique homogène (géométrie sphérique + loi en 1/r 2 ) MAIS … force électrique nulle à lintérieur de toutes cavités (répartition des charges électriques) quelle que soit la forme

22 Calcul des forces Le Coulomb est une unité de charge très grande charge de lélectron : C ! 2 charges de 1 C à 1 m de distance: N ! Loi de Coulomb Loi de Newton (F G = G M 1 M 2 /r 2 ) Ex.: Atome hydrogène F E =(9, Nm 2 /C 2 )(-1, C)(+1, C)/(0, m) 2 = -8, N F G =-(6, Nm 2 /kg 2 )(1, kg)(9, kg )/(0, m) 2 = -3, N Rapport: F E /F G =2, !!!! Mais… Différence dintensité !

23 Electricité Principe de superposition: La force résultante sexerçant sur un objet en présence de plusieurs charges est la résultante des forces individuelles induites par chacune des charges Chaque force étant un vecteur, cest la somme vectorielle des forces quil faut calculer!

24 Electricité Exercice 1.1: Trouver la force électrique résultante exercée sur la charge q1 par les autres charges. q1= - 5 C, q2= - 8 C, q3= +15 C, q4= - 16 C

25 Electricité Exercice 1.2: Une charge ponctuelle q1 de -9 C se trouve en x = 0 et q2 = 4 C se trouve en x = 1m En quel point, autre que linfini, la force électrique résultante exercée sur une charge q3 est-elle nulle?

26 Composition des forces électriques Force sur q 2 ?

27 Composition des forces électriques (suite)

28 Electricité 1.On trouve dans la nature deux types de charges électriques que lon nomme positives et négatives 2.La charge électrique est toujours le multiple dune charge élémentaire 3.La charge totale dun système isolé reste constante 4.On divise les matériaux en conducteurs et isolants selon la mobilité des charges électriques 5.La loi de Coulomb exprime la force électrique entre deux charges ponctuelles (loi en 1/r 2 ) 6.La force résultante sexerçant sur un objet en présence de plusieurs charges est la résultante (somme) des forces individuelles induites par chacune des charges (Principe de superposition)

29 Quelle est l'intensité du champ électrique créé par une charge négative de 5 x C en un point situé à 10cm de celle-ci? E=kq 1 / r 2 k = 9 x 10 9 Nm2C2 q 1 = 5 x C r = 0,10m E = 9x10 9 5x10 7 / 0,10 2 E = 4,5 x 10 5 N/C

30 Partie ulb

31 Doù vient la charge électrique ? Niveau sub-atomique : Propriété de lélectron - repousse les autres électrons - par convention charge –q e - impossible à décharger - particule fondamentale ? Atome neutre - proton porte une charge +q e … étrange … (2000 fois plus massif que lélectron !) - formé de quarks de charge ±q e /3, ±2q e /3 Quantification de la charge !

32 Influence électrostatique Pas de contact direct Répulsion ou attraction coulombienne des électrons Disparaît avec léloignement du corps dépreuve … …sauf si mise à la terre Électrisation par induction ou par influence

33 Induction électrostatique (suite) Polarisation dun diélectrique: Déformation des atomes (attraction ou répulsion du nuage électronique) Le peigne chargé négativement attire le morceau de papier (diélectrique)

34 Le champ électrique Champ: visualisation de la distribution des forces entourant un objet Action à distance Charge dessai positive subit une force en tout point de lespace de la part de la sphère chargée positivement Forces matérialisées par des vecteurs Lignes de forces tangentes aux vecteurs forces en tout point

35 Même nombre de lignes à travers des sphères concentriques Densité diminue comme 1/S=1/(4 r 2 ) Loi de Coulomb: force diminue en 1/r 2 Concentration des lignes proportionnelle au module de la force Le champ de force électrique Définition du champ indépendante de la charge dessai q 0 : Unité: N/C S S

36 Champ électrique dune charge ponctuelle Force exercée par un champ sur une charge Charge + : sens de F = sens de E Charge ponctuelle loi de Coulomb: Exemple: Force exercée sur un électron par un champ vertical vers le haut de 250N/C F=q e E =(-1, C)(250 N/C)= N Force verticale vers le bas

37 Champ électrique de deux charges ponctuelles Les contributions sajoutent vectoriellement Exemple: Champ au point A : nul ! (à égale distance sur la droite joignant 2 charges égales) Champ au point B: Composante x de la résultante : nulle Composante y de la résultante :

38 Permittivité et constante diélectrique MatériauPermittivitéCste diélectrique Vide 8, ,0 Air 8, ,00054 Corps humain ,0 Redéfinition de la constante de léquation de Coulomb: : permittivité (pour le vide k 0 =1/4 0 ; 0 permittivité du vide 0 =8, C 2 /N.m 2 Rapport de la permittivité dun matériau à 0 : / 0 = Constante diélectrique

39 Les lignes de champ Orientées des charges + vers les charges – (autres objets ou parois dune enceinte) Définies dans les 3 dimensions de lespace Peuvent présenter des symétries A grande distance: distribution de charges charge ponctuelle

40 Les lignes de champ (suite) Ne se croisent jamais (sinon valeur non univoque au croisement) Deux charges opposées à une distance r: dipôle Pas de point proche du dipôle où le champ est nul Mais le champ dun dipôle tend vers zéro à grande distance (annihilation de la répulsion par lattraction)

41 Dipôles Les charges opposées ne doivent pas être égales Exemple: ions et molécule deau A grand distance: charge semble ponctuelle

42 Le condensateur plan Plaques parallèles de charge opposées Charge dessai entre les plaques: repoussée par lune attirée par lautre Champ uniforme entre les plaques (lignes de champ parallèles et normales aux plaques)

43 Conducteurs dans un champ électrique Charges réparties en surface Champ nul à lintérieur du conducteur (cage de Faraday) Lignes de champ perpendiculaires à la surface (équilibre: charges immobiles) Conducteur

44 Conducteurs dans un champ électrique (suite) Expérience de Faraday Corps dépreuve chargé dans une enceinte Électrisation par influence Indépendante de la position interne Décharge lors du contact avec parois La charge totale interne reste toujours nulle!

45 Champ électrique dune distribution continue de charges Définition: Fonction continue élément infinitésimal de charge dq (bonne approximation malgré le caractère indivisible de la charge de lélectron) Charge dun corps: intégration des éléments dq sur son étendue spatiale Densité de charge linéique (1 dimension) : Densité de charge surfacique (2 dimensions) : Densité de charge volumique (3 dimensions) : dq= d l dq= dS dq= dV

46 Champ dun anneau chargé infiniment mince Les composantes dE y sannulent Champ dune charge dq: dE dE x =cos dE cos =x/r=x/(x 2 +R 2 ) 1 /2

47 Flux électrique Quantité de champ électrique passant au travers dune surface fermée Analogie avec le débit dun fluide: flux volumique J=S v cos = V/ t Plus précisément: vecteur surface S (normal à la surface, module égal à S, dirigé vers lextérieur) J = v.S Le flux total sortant de toutes les parties dune surface fermée est nul. Flux électrique au travers dune surface S j : Ej = E j S j cos j =E j. S j

48 Flux au travers dune surface fermée Pour une surface quelconque: E = Ej = E j. S j Charge q à lextérieur dune surface fermée : Flux entrant négatif; flux sortant positif E diminue comme 1/r 2 de la surface dentrée vers la surface de sortie Les éléments de surface (petites portions de sphère) augmentent comme r 2 Leur somme est donc nulle Intégration sur la surface fermée

49 Théorème de Gauss Charge au centre dune sphère Projection élément surface quelconque S e élément de sphère (dS e =dS e ) Charge totale = somme des charges ponctuelles Pour une surface fermée quelconque Théorème de Gauss

50 Champ le long dun fil rectiligne Air: 0 Charge linéique: q= l Indépendant de la longueur du fil !! Décroissance en 1/R S2S2

51 Champ dun plan chargé charge surfacique Indépendant de la surface !! Indépendant de la distance à la surface !! S3S3 S2S2 S1S1

52 Application aux condensateurs parallèles En dehors des extrémités: champs parallèles; de même module (même densité surfacique) /2 A lextérieur: champs opposés sannulent A lintérieur: même sens sadditionnent


Télécharger ppt "Cours délectricité 1 G. Barmarin 2012-2013 HEFF HEFF - Cours de Physique 2012-2013 - G. Barmarin."

Présentations similaires


Annonces Google