Lycée Diderot Narbonne Bournet, Candas, Galaup 1S4 Champs et forces Qu’est-ce qu’un champ ? En physique, on appelle « champ » la donnée en tout point de l’espace d’une grandeur physique. Cette grandeur peut-être présentée sous deux formes : un nombre, on parle de champ scalaire (par exemple, champ de température ou de pression) un vecteur, on parle de champ vectoriel (par exemple, champ de vitesse, champ électrique, champ magnétique …). Pour visualiser ce type de champ, on peut aussi utiliser les lignes de champ qui représentent le trajet suivi par les vecteurs champ à partir d’un point. Cette carte des vents représente un champ vectoriel. Elle précise en tout point de la région considérée la valeur de vitesse et la direction et sens du vent. Cette carte montre les champs de température sur la carte de France. Ce sont des champs scalaires. Elles précisent la valeur de grandeur scalaire (température) en tout point de l’espace de la région considérée. I) Champ électrique Si un champ électrique E règne dans une région de l’espace, une charge électrique q placée à un point A est soumise à une force F = q.E(A). Cette relation permet de définir le champ électrique en A par : E(A) = F/q. E se mesure en Volt/mètre, F en Newton (N) et q en coulomb (C). L’une des conséquences de la relation précédente est que le champ électrostatique est centrifuge s’il est crée par une charge positive, et centripète s’il est crée par une charge négative. La loi de Coulomb permet de connaître les forces d’intéractions électriques entre deux charges ponctuelles Q et q. Deux charges ponctuelles, de charges Q et q, séparées d’une distance d, exerce l’une sur l’autre des forces électriques : attractive si Q et q sont de signes différents et répulsive si Q et q sont de mêmes signes. En effet : Q q F’ F F = F’ ; Q>0 ; q<0 II) Champ magnétique Si un champ magnétique B règne dans une région de l’espace, une aiguille aimantée placée dans cette région est soumise à une force qui l’oriente. Un champ magnétique peut être créé par un aimant, par un courant ou par un astre (ex: Terre). B se mesure en Tesla (T). Dans un repère d’un aimant U, les lignes de champ sont parallèles : le champ magnétique y est uniforme. Les lignes de champ sortent de l’aimant par le pôle Nord et entrent par le pôle Sud. Une boussole (aiguille aimantée) s’oriente sous l’effet du champ magnétique terrestre dont la valeur de la composante horizontale est de l’ordre de : 2x10^(-5).T . Les lignes du champ terrestre sont dirigées du pôle Sud magnétique au pôle Nord magnétique. Un champ magnétique peut être engendré par un courant électrique, ce dernier étant constitué d’un grand nombre d’électrons en mouvement. Le champ induit par un courant électrique est proportionnel à l’intensité de ce courant : B =k.l . B en tesla (T) ; l en ampère (A) ; k en tesla/ampère. III) Champ de pesanteur Le champ de pesanteur est le champ d’origine gravitationnelle défini à proximité d’un astre (champ de pesanteur terrestre, lunaire …). Le champ de pesanteur g en un point de l’espace est directement lié au poids P auquel serait soumis un objet de masse m en ce point : g = P / m Le champ de pesanteur est centripète et son intensité diminue quand on s’éloigne du centre de l’astre qui en est la cause. Cependant, si l’on se borne à l’étude d’une zone très localisée dans l’espace, on pourra considérer qu’il est uniforme. Ainsi, on admet généralement que la valeur du champ de pesanteur terrestre au niveau de la mer est : g ≈ 9,8 N/kg. Notion de champ dans l’histoire et observations expérimentales Faraday Ces champs évoluent dans le temps et sont à l’origine des ondes (téléphone portable, …). C’est la raison pour laquelle en dehors du champ électromagnétique d’une station de radio, on ne capte plus du tout ses émissions. Le concept de champ n’était pourtant pas une idée révolutionnaire car il existait déjà à l’époque de Newton, en effet il servait à retrouver les forces qui agissaient sur une particule. En 1887, le physicien allemand, Heinrich Hertz, améliora la définition du champ. Les termes mathématiques et électriques pouvant être échangés, il le nomma champ électromagnétique. C’est à ce point de l’histoire que le champ devint synonyme d’énergie. Nous savons qu’en interrompant brusquement un champ électrique, il se produit une étincelle. Cela signifie que le champ contenait de l’énergie. Historiquement nous devons la notion de champ à un physicien anglais du XIXème siècle, Michael Faraday, pour qui ce concept n’était pas qu’un simple artifice mais recouvrait quelque chose de bien plus fondamentale. En 1861, après avoir analysé les travaux de Oersted et de Faraday, Maxwell créa le concept fondamental du champ, abandonnant celui des fluides électriques dans l’éther. Par chance, il designait une perturbation de l’espace qui en chaque point est un potentiel de force indépendant des corps qui pouvaient s’y trouver. Maxwell Newton Heinrich Hertz Cartographier un champ magnétique et électrostatique