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

Retour 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/l Puissance d’accommodement: Pacc = 1/dPP-1/dPR Questions?

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 d’une charge

Lexique 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 force on peut exprimer la permittivité du vide avec d’autres unités que l’on verra plus tard dans le cours.

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

Matériaux conducteurs et isolants 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

Induction 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. A B ++++ - + A - B + ++++ - + - - + + - B + - + - A A - B + ++++ ++++ - - + - - + - - - +

Loi 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) Mêmes signes Signes opposés r r A B A B

Principe 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

Champ électrique – Tome 2 chapitre 2 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

Champ électrique ORIENTATION 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: qess Q charges de mêmes signes (+) ORIENTATION Champ entre dans une charge négative Champ sort d’une charge positive

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

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

Champ 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