Cours - Le cours de physique

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Chapitre 14. Cours
1 S
Les champs et les forces.
I. Notion de champ.
Scalaire ou grandeur scalaire : grandeur caractérisée par seulement une valeur (et une unité). Exemple : la
température.
Grandeur vectorielle : grandeur représentée par un vecteur (segment de droite orienté) car caractérisée par une
direction, un sens et une valeur (et une unité). Exemple : la force.
Décrire un champ c'est donner les caractéristiques d'une grandeur en tout point de l'espace considéré.
Exemples de champs scalaires : champ de températures, champ de pressions.
Exemple de champ vectoriel : champ de vitesses.
Le vecteur vitesse instantanée a les caractéristiques suivantes :
- origine : le point considéré de l'objet à l'instant considéré
- direction : la tangente à la trajectoire en ce point
- sens : le sens du mouvement
- norme : la valeur de la vitesse instantanée
Pour représenter un champ vectoriel, on peut utiliser des vecteurs ou on peut représenter les lignes de champ :
courbes tangentes aux vecteurs champ, orientées dans le sens du vecteur champ.
Plus les lignes de champ se rapprochent et plus la valeur du champ est élevée.
Visualisation de l'écoulement d'un liquide
autour d'un cylindre : champ de vitesses.
Visualisation de l'écoulement d'un liquide
autour d'un cylindre : lignes de champ.
On parle de champ uniforme lorsqu'il est identique à lui-même en tout point de l'espace considéré (mêmes
valeurs, mêmes directions et mêmes sens). Les lignes de champ sont alors parallèles entre elles (et
équidistantes).
II. Exemples de champs.
1. Champs magnétiques.
Lorsque l'on déplace une aiguille aimantée autour d'un aimant, elle s'oriente suivant des directions différentes.
Il en est de même lorsque l'on remplace l'aimant par un fil conducteur parcouru par un courant électrique.
L'aiguille aimantée, en fonction de là où elle est placée, est plus ou moins déviée et s'oriente suivant des
directions différentes.
Un aimant crée un champ magnétique dans son voisinage. Il en est de même d'un fil conducteur parcouru par un
courant électrique (c'est le cas des électroaimants).
Ce champ magnétique est caractérisé en tout point par une intensité, une direction et un sens ; il est donc
représenté pas un vecteur. On le note B et il a le sens donné par le pôle nord d'une aiguille aimantée :
(en noir le pôle nord,
en blanc le pôle sud)
B
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Les lignes de champ magnétiques sont orientées du pôle nord vers le pôle sud à l'extérieur des sources
magnétiques (aimants ou courants électriques). Elles peuvent être visualisées en réalisant un spectre
magnétique en utilisant de la limaille de fer (qui se comporte comme de minuscules aiguilles aimantées).
Tous les champs présentés dans cette partie II permettent de décrire les caractéristiques de l'espace afin de
prévoir les forces qui seront exercées sur un corps lorsqu'il sera présent.
Exemple du champ magnétique créé par un aimant droit :
Spectre magnétique d'un aimant droit
Lignes de champ d'un aimant droit (et aiguilles aimantées)
Exemple du champ magnétique terrestre :
Ce champ magnétique B ressemble à celui créé par un aimant droit.
Il est créé par les mouvements du noyau de fer en fusion au cœur de la Terre.
pôle nord géographique
pôle sud magnétique
pôle nord magnétique
pôle sud géographique
Lignes de champ du champ magnétique terrestre (et aiguille aimantée)
Exemple du champ magnétique créé par un aimant en U :
Ce champ magnétique B correspond à celui d'un aimant droit que l'on aurait courbé en deux.
Dans l'entrefer de l'aimant en U, le champ magnétique B est quasiment uniforme et est orienté du pôle nord
vers le pôle sud.
Spectre magnétique d'un aimant en U
Lignes de champ magnétique d'un aimant en U
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Exemple du champ magnétique créé par un solénoïde parcouru par un courant électrique :
Un solénoïde est une bobine dont la longueur est très supérieure au diamètre.
A l'extérieur du solénoïde, le champ magnétique B ressemble à celui créé par un aimant droit.
A l'intérieur du solénoïde, le champ magnétique B est quasiment uniforme.
Lignes de champ magnétique d'un solénoïde
2. Champs de gravitation.
Localement, le poids P et la force d’attraction gravitationnelle F g sont (quasiment) une seule et même force
(mais on ne parle de poids que proche la surface d'un corps céleste). Le champ de pesanteur et le champ de
gravitation peuvent donc être confondus.
Le poids P qui s'exerce sur une masse m placée dans un champ de pesanteur g est P
pesanteur g est défini par g
m . g car le champ de
P
(il s'agit de la force qui s'exercerait sur une masse de 1 kg).
m
La valeur Fg de la force de gravitation F g qui s'exerce sur une masse m placée à la distance d de la masse m0 est
m0 m
or le champ de gravitation est G
d2
force qui s'exercerait sur une masse de 1 kg).
Fg
G
Fg
m
et sa valeur est donc G
Fg
m
G
m0
(il s'agit de la
d2
De tels champs sont créés par la présence de masses.
-1
Exemple du champ de pesanteur terrestre : g est vertical vers le bas (tout comme P ) et vaut environ 10 N.kg .
Exemple du champ (de pesanteur ou) de gravitation terrestre : G est dirigé vers le centre de la Terre (tout
-1
comme Fg ) et vaut environ 10 N.kg à la surface de la Terre.
Lignes de champ de pesanteur (et de gravitation) terrestre
Lignes de champ de gravitation terrestre
3. Champs électrostatiques.
La force électrostatique F e qui s'exerce sur une charge q placée dans un champ électrostatique E est Fe
car le champ électrostatique E est défini par E
q .E
Fe
(il s'agit de la force qui s'exercerait sur une charge de 1 C).
q
Un tel champ est créé par la présence de charges électriques.
Les lignes de champ électrique sont orientées des charges + vers les charges - de la source du champ.
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Exemples de champs électrostatiques E créés par des charges électriques :
Quatre exemples de lignes de champ électrostatique
Exemple du champ électrostatique E créé par un dipôle :
ème
Il s'agit du 3
exemple ci-avant vu d'un peu plus loin.
-+
Lignes de champ électrostatique d'un dipôle
Exemple du champ électrostatique créé par un condensateur plan ayant accumulé des charges sur ses armatures :
Le champ électrostatique E entre les deux armatures (plaques parallèles) du condensateur est quasiment
uniforme et est orienté des charges + vers les charges -.
Lignes de champ électrostatique d'un condensateur plan
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Les champs et les forces.
Liste du matériel.
Au bureau :
□ rétroprojecteur
□ 4 petites aiguilles aimantées (environ 2 cm) avec supports
□ aimant droit
□ aimant en U
□ limaille de fer + vitre
□ grosse alimentation électrique continue (jusqu’à 10 A)
□ rhéostat 0  à 33  (supportant au moins 4 A)
□ 4 fils de connexions électriques (1 rouge, 1 noir, 1 vert et 1 jaune)
□ ampèremètre avec calibre 20 A