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TP 1S I. BUT-­‐ THÈME COMPRENDRE/CHAMPS ET FORCES -­‐
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PAGE 1 / 4 Caractériser un champ électrostatique Cartographier un champ électrostatique Représenter des vecteurs champ électrostatique en divers points Tracer les lignes équipotentielles II. CHAMP ÉLECTROSTATIQUE CRÉÉ PAR UN CONDENSATEUR PLAN a. Constitution Un condensateur plan est constitué de deux armatures conductrices planes, parallèles et face à face séparée par un isolant (ici l’air). Lorsqu’une tension continue est appliquée entre les plaques, le condensateur se « charge » c’est à dire que ses armatures portent des charges électriques opposées correspondants à la borne + et la borne – du générateur Ces charges électriques créent un champ électrostatique 𝐸 notamment entre les armatures du condensateur que l’on souhaite cartographier au cours de ce tp b. Mise en œuvre Dispositif : -­‐ Une cuve contient une solution conductrice de sulfate de cuivre de concentration 0,01 mol.L-­‐1. Elle est munie de 2 plaques de cuivre rectangulaires plaquées aux bords opposés de la cuve. -­‐ Les 2 plaques sont reliées à un générateur de tension B continue de 6 V (U!" = 6V) M A -­‐Le voltmètre numérique tel qu’il est branché ( M borne V et A borne Com du voltmètre) permet de relever la tension 𝑈!" existant entre la borne M situé entre les armatures grâce à une sonde plongeant dans la solution et le point A -­‐ Un papier millimétré situé sous la cuve permet de repérer la position du point M testé par rapport aux deux armatures du condensateur c. Principe -­‐ La mesure de la tension U!" indique la différence de potentiel électrique (ddp) qui existe entre le potentiel V! du point M et le potentiel V! du point A soit U!" = V! − V! La borne A étant connectée à la borne négative du générateur joue le rôle de référence des potentiels et on a coutume de lui attribuer un potentiel nul Et donc U!" = V! -­‐ La tension U!" mesure donc le potentiel électrique du point M -­‐ L’intensité E du champ électrique E au point M est déterminée à l’aide de la relation : U!" V! E=
=
x
𝑥
où x représente la distance qui sépare le point M à la plaque métallique jouant le rôle de référence des potentiels électriques d. Précautions -­‐ les plaques doivent toucher le fond de la cuve -­‐ la sonde de mesure doit être maintenue verticalement TP 1S THÈME COMPRENDRE/CHAMPS ET FORCES PAGE 2 / 4 e. Mesures  En tenant la sonde de mesure du voltmètre bien droite, il est possible de la déplacer sur l’ensemble de la cuve.  On la déplace le long de la plaque reliée au + du générateur. Lorsqu'on déplace la sonde sur la surface de chacune des plaques, on constate que la tension mesurée est constante. U!" =……………… V si M est sur la plaque négative. U!" =……………… V si M est sur la plaque positive. Question 1 Pourquoi peut-­‐on dire que les plaques sont des surfaces équipotentielles ? Question 2  Éloigner la sonde des plaques, il est possible de mesurer des potentiels intermédiaires.  Rechercher les positions M de la sonde donnant la même valeur de potentiel électrique ✍ Compléter alors le schéma sur la fiche réponse -­‐ Représenter les deux plaques -­‐ Positionner le plus précisément possible sur le papier millimétré les points qui ont le même potentiel (6 points pour chaque valeur de potentiel de par et d’autre de la ligne médiane) pour 0V, 1V, 2V, 3V , 4V et 5V et enfin 6V -­‐ construire les lignes équipotentielles correspondantes à chaque valeur de potentiel ✍ Ne pas oublier de noter sur ces lignes les potentiels correspondants Question 3 ✍ Sachant que les lignes de champ électrostatique E sont en tout point perpendiculaires à ces équipotentielles, construire quelques lignes champ entre les plaques. Question 4 ✍ Orienter ces lignes de champ en justifiant le choix fait Question 5 ✍ Déterminer la valeur du champ électrostatique 𝐸 en trois points situés dans la partie où les lignes de champ sont parallèles. ✍ Dessiner alors quelques vecteurs champ électrostatique 𝐸 entre les deux plaques en faisant en précisant sur l’échelle de représentation de ces vecteurs Question 6 : conclusion ✍ Comment peut-­‐on décrire le champ électrostatique qui règne entre les deux armatures d’un tel montage ? III.
CHAMP ÉLECTROSTATIQUE CRÉÉ PAR DES CHARGES PONCTUELLES On se propose de représenter les lignes de champ, les lignes équipotentielles et le champ électrique produit par des charges ponctuelles à l’aide d’un logiciel de simulation qui reproduit l’effet d’un champ électrostatique sur de grains de semoule ( voir le cours précédent) On considérera les situations présentées dans les croquis ci-­‐dessous  Allumer l’ordinateur ; ouvrir une session  Rechercher le fichier champ E.swf situé dans le répertoire laboratoire de la médiathèque SPC  L’ouvrir à l’aide de firefox  Prendre en main le logiciel et avec lui compléter les figures situées dans le document annexe, en représentant l’allure des lignes de champ, lignes équipotentielle ainsi quelques vecteurs champ électrostatique (sans soucis d’échelle)  Orienter les lignes de champs TP 1S I.
THÈME COMPRENDRE/CHAMPS ET FORCES FICHE ANNEXE PAGE 3 / 4 CHAMP ÉLECTROSTATIQUE CRÉÉ PAR UN CONDENSATEUR PLAN Question 1 Pourquoi peut-­‐on dire que les plaques sont des surfaces équipotentielles ? Plaque reliée au + du générateur Plaque reliée au – du générateur Question 2 Question 5 ✍ Déterminer la valeur du champ électrostatique 𝐸 en trois points situés dans la partie où les lignes de champ sont parallèles. IV.
Question 6 : conclusion ✍ Comment peut-­‐on décrire le champ électrostatique qui règne entre les deux armatures d’un tel montage ? CHAMP ÉLECTROSTATIQUE CRÉÉ PAR DES CHARGES PONCTUELLES q1 = -­‐ 1 C q1 = +1 C q2 = 1 C q1 = +1 C q1 = +1 C q1 = +1 q3 =+1C q1 = +1 C q2 = -­‐1 C q1 = -­‐1 C q1 = +1 C q3 =+1C