Voilà enfin la suite du cours que j'avais promise. Suite à une perte de mon disque dur, j'ai du réécrire le cours. J'ai attendu avant de le poster que ma relectrice officielle passe me faire ses remarques au combien judicieuse. A noter que vu la longueur de ce nouveau cours, j'ai décidé de la scinder en plusieurs parties. On va traiter progressivement le sujet. Alors, c'est reparti.
-----------------------
L'électromagnétisme (ambaromagnétisme) est un domaine important de la Physique (théologie expérimentale). Il s'agit en réalité de l'association des forces électrique et magnétique. La force électrique découle de l'intéraction des charges tandis que la force magnétique découle de l'intéraction du mouvement des charges. L'électromagnétisme traduit le couplage temporel de ces forces, autrement dit il existe une dépendance entre la force électrique et magnétique qui est une dépendance temporelle (fonction du temps).
Nous allons commencer notre étude en reprenant sur les éléments constitutifs de ces forces (charges et mouvement de charges). Cette partie fait donc directement suite au cours précédent et permet de présenter les sources des forces électrique et magnétique. En seconde partie, nous verrons les forces électrique et magnétique séparemment en vue de les quantifier et d'en montrer leurs grandes propriétés. Nous achèverons ce cours sur la présentation du couplage entre ces deux forces.
A)
Origines du phénomène électromagnétiqueRappelons ce qui a été dit lors du cours précédent. Nous savons que l'électromagnétisme est une force fondamentale qui a pour origine l'intéraction électrique et l'intéraction magnétique. Ces intéractions sont crées par des charges électriques que nous avions identifiées sous forme d'électrons et d'ions (porteurs de charges). Cette partie sert de pivot par rapport à ce qui fut dit et introduit les éléments fondamentaux pour la suite.
1) La charge électriqueDans le précédent cours, nous avions vu quelle était la nature des porteurs de charge. Nous allons donner ici une définition plus générale de la charge électrique.
* Définition :
On appelle la charge d'une particule, une grandeure qui caractérise les intéractions électromagnétiques qu'elle exerce et qu'elle subie.On retrouve ici la notion d'intéraction de charges.
* Quantification de la charge
La charge électrique se mesure en
Coulomb C. La quantité de charge q vaut :
q = Ze avec e = 1.6 10^(-19) C et Z est un entier relatif (1)
* Conservation
Principe de conservation de la charge :
La charge totale d'un système isolé se conserve au cours du temps
Cela signifie que si on n'effectue aucune action sur un système alors sa quantité de charge totale ne varie pas au cours du temps.
2)Le courant électrique (ambarique)* Définition
L'intensité du courant électrique est la quantité de charge qui s'écoule à travers le temps.On peut faire un vrai parallèle avec de l'écoulement de l'eau : l'eau s'écoule d'un point vers un point moins élevé. Pour les charges c'est pareil : le courant électrique dénote du déplacement des charges électriques d'un point potentiel vers un autre point de potentiel électrique moins élevé.
* Quantification du courant électrique
Le courant électrique s'exprime en
Ampère A. L'intensité du courant électrique i vaut :
i = dq/dt avec q la charge électrique (2)
Cette formule montre que le courant électrique dénote de la variation de charge au cours du temps. Donc en général, l'intensité du courant électrique est une fonction du temps.
Toutefois, en
courant continu la quantité de charge ne varie plus en fonction du temps et l'intensité I vaut alors :
I = q/t
A retenir :
- Citation :
Le courant électrique est la quantité de charge qui s'écoule dans le temps !
* Lois fondamentales
Loi d'unicité :
Dans un circuit ou les dipôles sont en série, l'intensité du courant électrique est la même partoutCela veut dire que dans un circuit électrique, s'il n'y a aucune dérivation, aucune branche au circuit, la valeur de l'intensité électrique est la même partout.
Loi des noeuds :
La somme des intensités des courants arrivant en un noeud est égale à la somme des intensités des courants partant de ce même noeudB)
ElectrostatiqueL'Electrostatique est l'étude de l'intéraction de charges lorsqu'elles ne varient pas. Autrement dit,les charges sont fixes (statiques) au cours du temps. L'objectif de cette partie est d'étudier séparemment les effets et propriétés de l'intéraction des charges. Or, comme nous l'avons spécifié en début de ce chapitre, les forces électrique et magnétique sont interdépendantes si tôt que l'on considère la variation temporelle des charges et de l'écoulement des charges. Ainsi, en supposant la charge fixe nous supprimons cette dépendance et pouvons alors étudier à part l'un et l'autre des phénomènes.
1)Force électrostatique : loi de CoulombEn 1785, un physicien du nom de Coulomb mit en évidence le phénomène d'intéraction de charges et quantifia la force subit par une charge M
1 sous l'effet d'une charge M
2 et ce au travers d'un dispositif appelé "Balance de Coulomb".
La force produite par l'intéraction d'une charge M
1 de quantité de charge q
1 avec une charge M
2 de charge q
2 est appelée Force de Coulomb (ou force électrostatique) et est donnée par la loi de Coulomb :
F1/2 = 1/(4xPixε0) x q1q2/(M1M2)² ur Dans le vide (3)
Avec ?
0 la permittivité du vide et 1/(4xPixε
0) = 9.10^9 N.m^(-2).C^(-2)
ur vecteur unitaire de dirigé de M
1 vers M
2La force subie par la charge M
2 du fait de M
1 vaut donc :
F2/1 = -
F1/2. On retrouve bien le principe d'intéraction produit par les charges l'une sur l'autre.
Dans un milieu autre que le vide, il faut remplacer dans la loi de Coulomb ε
0 par ε avec ε = ε
0 ε
r ou ε
r est la permittivité relative du milieu.
La permittivité est une grandeure physique qui dénote de l'amplitude de l'excitation électrique dans un matériau donné baignant dans un champ électrique.
A retenir :
- Citation :
De cette formule on doit retenir que la force d'intéraction entre charges est proportionnelle au produit des charges et inversement proportionnelle au carré de la distance entre les paires de charges. Autrement dit, l'intéraction de charges dépend des valeurs des charges et de la distance entre elles. l'intéraction de charges augmente lorsque :
- La quantité de charge augmente
- La distance entre les charges diminuent. Cela est logique, puisque plus on est près et plus on subit l'influence de l'autre !
La force est orientée de la charge qui produit l'intéraction vers celle qui la subie.
La force dépend également du milieu dans lequel se trouve les charges.
2)Champ électriqe* Définition
On dit que dans une région règne un champs électrique
E pour dire qu'une charge ponctuelle immobile q placée dans cette région est soumise à la force de Coulomb :
Fel = q
E. (4)
* Expression du champ
On déduit de la définition du champs et de la loi de Coulomb, l'expression du champs électrique dans le vide:
E = q'/(4xPixε0) q'/r² ur (5)
avec q' la charge qui exerce la force de Coulomb sur q
r la distance du point de charge q au point de charge q'
A retenir :
- Citation :
Le champs électrique dénote de l'intéraction subie par une charge du fait de la présence d'une autre charge. Elle dépend de la quantité de charge de la charge qui génère le champs et est inversement proportionnelle au carré de la distance de cette charge au système.
3) Le potentiel électrique* Lignes de champs : Définition
Une ligne de champ électrique est une courbe orientée telle que le champ électrique
E en un point M de la ligne de champ soit tangent à cette ligne
* Potentiel électrique
Soient A et B deux points baignant dans un champs électrique E On suppose E uniforme (identique partout). Alors la tension électrique entre les points A et B vaut : U
AB = V
A - V
B =
E.AB. ("
." est le produit scalair ici).
D'une façon plus générale,
E = -
gradV (6)
En fait, ce qu'il faut retenir ici c'est que le champs électrique est orienté dans le sens des potentiels décroissant.
* Surfaces équipotentielles : ensemble des points de même potentiel
4)Propriétés du champ électrique* On déduit de la formule (5) que le champs électrique est
radial et
centrifuge* Additivité des champs : on doit ajouter vectoriellement les champs en un point
* Les lignes de champs sont perpendiculaires aux surfaces équipotentielles
* Si une distribution de charges (ensemble de charges) présente un plan de
symétrie, alors le champs électrique
appartient à ce plan.
*Si une distribution de charges (ensemble de charges) présente un plan de
d'antisymétrie, alors le champs électrique est
perpendiculaire à ce plan.
5)Travail de la force électrostatiqueSoient A et B deux points baignant dans un champs électrique E uniforme.
W
AB(
Fel) =
Fel
.AB = q
E.AB = q (V
A - V
B)
A retenir :
- Citation :
Le travail de la force électrique ne dépend que de la différence de potentiel entre les points considérés et de la charge du système.
Remarque : Nous savons que la puissance électrique Pel = Wel / t donc Pel = q U/t = U I .
