Vérification expérimentale des théorèmes de Thévenin et de

Notions de champ électrique uniforme
1. Notion de champ électrique
Un champ électrique est crée par une charge électrique ponctuelle. Ici, Q est la charge qui crée le champ
électrique E et q est la charge subissant ce champ, soumise à la force électrique F.
q>0
E(P)
F
q>0
P
P
F
O
Q>0
E(P)
O
Q<0
Rappels : F =
E s’exprime en
2. Champ électrique uniforme et champ de pesanteur
2.1 Définition du champ électrique uniforme
Tout comme pour la gravitation, une région de l’espace est le siège d’un champ électrique uniforme si le
champ électrique E(P) est le même en tout point P de cette région.
E(P) = E
Si le champ est uniforme, alors les lignes de champ sont des droites ………………..
2.2 Analogie entre le champ électrique uniforme et champ de pesanteur uniforme
Des forces électriques s’exercent entre deux charges électriques (qA et qB par exemple).
Les forces de gravitation s’exercent entre deux masses ponctuelles (mA et mB par exemple).
L’analogie entre ces forces, est qu’elles sont inversement proportionnelles au carré de la distance. Elles
vont diminuer rapidement avec cette distance.
Quelques différences cependant :
forces de gravitation
Attraction (mA et mB grandeurs positives)
Action même à très grande distance
Champ électrique
forces électriques
Attraction ou répulsion (qA et qB grandeurs algébriques)
Action locale
1
3. Applications
3.1 Application au condensateur plan
Un condensateur plan est constitué de deux plaques métalliques, planes et parallèles, dont les dimensions
sont grandes devant la distance qui les sépare.
Il existe un champ électrique uniforme entre les deux plaques, lorsqu’on applique une tension électrique
continue à l’aide d’un générateur entre les deux plaques.
Rappel : une plaque est appelée ……………….
++++++++++
Le générateur transfère des électrons
d’une armature sur l’autre.
Le condensateur se charge.
L’armature P a le potentiel le plus ………….
Elle présente un………….. d’électrons.
Elle porte la charge électrique…………
P
UPN
Lignes de
champ
électrique
d
-- - -- --E
-------
N
L’armature N le potentiel le plus ………….
Elle présente un………….. d’électrons.
Elle porte la charge électrique…………
Cette distribution de charges crée le champ électrique E, dirigé de l’armature ayant le potentiel le plus
………….. à l’armature ayant le potentiel le ……………….. élevé.
Il est donc dirigé dans le sens des potentiels …………….
Il a pour valeur : E =
Lorsque le condensateur reste relié au générateur, sa charge Q peut varier. Pour une distance d donnée,
lorsque U augmente, le champ électrique E ……………
Il peut atteindre une valeur limite pour laquelle les molécules de l’air s’ionisent sous l’action des forces
électriques. L’air devient conducteur : un éclair peut jaillir entre les armatures.
Cette valeur limite du champ est appelé champ ………….. ou rigidité ……………..
Cas de la foudre : Quels éléments vont jouer le rôle des deux armatures du condensateur plan ?
……………………………..
Le champ électrique devient alors supérieur au champ disruptif de l’air.
3.2 Application à l’oscilloscope
On utilise le phénomène de déflexion électrique. Un champ uniforme permet de dévier les électrons.
a) Expérience
L’objectif est de vérifier que la déflexion électrique est proportionnelle à la tension UPP’ appliquée entre
les plaques P et P’. La déflexion, ou déviation, est la distance entre le point d’impact en l’absence de
champ et le point d’impact lorsqu’une tension UPP’ est appliquée entre les plaques.
Champ électrique
2
Matériel
- un tube à vide comportant un canon à électrons et un dispositif de déflexion électrique (tube à déflexion
ou tube de Perrin).
- un écran permettant de mesurer la déflexion.
- une alimentation électrique adaptée avec une sortie pour le chauffage du filament et des sorties pour
l’accélération et la déflexion des électrons.
On ne fera qu’une analyse qualitative.
Compléter le schéma simplifié de l’appareil suivant. On placera les légendes suivantes : faisceau
d’électrons ; canon à électrons ; plaque P au potentiel positif ; plaque P’ à la masse ; plaque fluorescente ;
ampoule à vide.
Vers
alimentation
Vers
alimentation
Vers
alimentation
Lorsqu’on applique une tension entre les plaques, qu’observe-t-on ?
b) Schéma de principe d’un oscilloscope
Plaques de déflexion horizontale
Anode de focalisation
y’
Plaques de déflexion verticale
E2
E1
X
Y
Revêtement métallique
Filament chauffant
A
C
Ecran fluorescent
Faisceau d’électrons
X’
Y’
Anode accélératrice
Cathode
Canon à électrons
M
M
y
Grille de contrôle
M
Champ électrique
3
Canon à électrons : il est constitué d’une plaque métallique C, appelée cathode, et d’une plaque
métallique A, anode.
La cathode émet des électrons lorsqu’elle est chauffée par le filament, parcouru par un courant électrique.
L’anode, qui attire les électrons émis par C, est percée d’un trou d’où sortiront les électrons du canon.
La tension UAC peut atteindre quelques dizaines de kilovolts.
c) Principe
Une tension est appliquée entre E1 et la masse.
Elle est convertie en une haute tension appliquée entre les plaques Y et Y’. Il y a alors déviation
………………. du faisceau d’électrons.
Plus cette tension est élevée, …………. le spot se déplace sur (yy’).
De même, une tension est appliquée entre E2 et la masse. Elle permet, grâce aux plaques verticales, une
déviation ……….. du spot. Un dispositif incorporé à l’oscilloscope, appelé base de temps, produit en
mode balayage une tension uXX’ périodique en dents de scie, de période T.
En l’absence de tension entre les plaques Y et Y’, le spot est animé d’un mouvement rectiligne uniforme
horizontal suivant l’axe (x’x). Lorsque la tension uXX’ augmente, il se déplace de gauche à droite, puis
lors de la diminution de cette tension, il revient brusquement vers la gauche pour repartir vers la droite
(période suivante du balayage).
Dans les oscilloscopes de dernière génération, les plaques déflectrices sont remplacées par des bobines
(utilisation du champ magnétique et non plus du champ électrique).
Champ électrique
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