Chapitre 2 : Le champ électrique
Exercices
E1. (a) Pour compenser le poids de l’électron dirigé vers le bas, une force électrique doit apparaître
vers le haut, comme dans cette gure :
On donne qe=e, me=9,11 ×1031 kg,
Fg=m
g=mg
jet, selon l’équation 2.3a,
FE=qe
E.À partir de la deuxième loi de Newton (équation 5.2 du tome 1) appliquée
à l’électron à l’équilibre, on obtient
P
F=0 =
FE+
Fg=0 =qe
E+me
g=0 =
E=me
qe
g=me
e³g
j´=meg
e
j=5,57 ×1011
jN/C
Le champ électrique nécessaire est vers le bas.
(b) La situation est similaire à celle que présente la gure. Toutefois, comme il s’agit d’un
proton, qp=eet mp=1,67 ×1027 kg, donc
P
F=0 =
FE+
Fg=0 =qp
E+mp
g=0 =
E=mp
qp
g=mp
e³g
j´=mpg
e
j=1,02 ×107
jN/C
Le champ électrique nécessaire est vers le haut.
E2. (a) On donne
E=120
jN/C et qp=e. Selon l’équation 2.3a,
FE=qp
E=¡1,6×1019¢(120)
j=1,92 ×1017
jN
(b)Onsuppose,commeledémontrelexemple2.1,quelonpeutnégligerlaforcegravita-
tionnelle. À partir de la deuxième loi de Newton, si mp=1,67 ×1027 kg, on obtient
P
F=
FE=mp
a=
a=
FE
mp=1,15 ×1010
jm/s2
E3. (a) On donne
FE=8×106
iNetq1=3,2×109C. Selon l’équation 2.3a,
FE=q1
E=
E=
FE
q1= 2,50 ×103
iN/C
(b) On utilise le champ électrique trouvé en (a). Si q2=6,4×109C et selon l’équation
2.3a,
FE=q2
E=¡6,4×109¢¡2,50 ×103¢
i=1,60 ×105
iN
v4 Électricité et magnétisme, Chapitre 2 : Le champ électrique 1
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E4. (a) Pour faciliter l’écriture, on numérote les charges q1=4qet q2=9q:
Pour tous les points qui ne sont pas sur l’axe des x,
E1et
E2ne peuvent être de sens
opposésetlechampélectriquerésultantnepeutrenul.Surlaxedesx, entre les deux
charges, les deux vecteurs sont dans le même sens. À droite de q2, les deux vecteurs sont
de sens opposés mais |q2|>|q1|et r2<r
1.IlestdoncimpossiblequeE1=E2.
Le point Pcherché ne peut se trouver qu’à gauche de q1sur l’axe des x. On cherche
la position xde ce point. À partir de la gure, avec x<0,on voit que r2
1=x2et
r2
2=(1x)2on écrit
E1+
E2=0 =E1=E2=k|q1|
r2
1=k|q2|
r2
2=4q
x2=9q
(1x)2=
4(1x)2=9x2=5x2+8x4=0
Les racines de cette équation quadratique sont x=0,400 metx=2,00 m. Comme le
point Pdoit se trouver à gauche de q1, on ne conserve que le second résultat :
x=2,00 m, y=0m
On note que la solution est indépendante du signe de q.
(b) Si q2=q, en suivant un raisonnement similaire à la partie (a), on conclut que le champ
électrique résultant ne peut être nul qu’entre les deux charges, sur l’axe des x:
Àpartirdelagure, avec x>0,on voit que r2
1=x2et r2
2=(1x)2et on écrit
E1+
E2=0 =E1=E2=k|q1|
r2
1=k|q2|
r2
2=4q
x2=q
(1x)2=
4(1x)2=x2=3x28x+4=0
Les racines de cette équation quadratique sont x=2,00 metx=0,667 m. Comme le
point Pdoit se trouver entre q1et q2, on ne conserve que le second résultat :
x=0,667 m, y=0m
Ici aussi, on note que la solution est indépendante du signe de q.
2Électricité et magnétisme, Chapitre 2 : Le champ électrique v4
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E5. (a) Pour faciliter l’écriture, la gure ci-dessous reprend la gure 2.42 du manuel en précisant
le nom donné à chacune des charges et la direction de leur champ électrique au point A.
On suppose pour l’instant que Q>0.
On note, grâce au théorème de Pythagore, que r1=r2=r3=r4=q¡L
2¢2+¡L
2¢2=L
2.
À cause de la valeur des charges et d’une distance au point choisi qui est la même pour
les quatre charges, les modules des champs électriques sont égaux deux à deux, E1=E4
et E2=E3.
À cause de la symétrie, on peut conclure que la composante selon xdu champ résultant
est nulle et que
E=
E1+
E2+
E3+
E4=
E=E1y
j+E2y
j+E3y
j+E4y
j=2E1y
j+2E2y
j
E1est à un angle θ1= 180+45= 225par rapport à l’axe des xpositifs et son module
est E1=k|q1|
r2
1=2kQ
³L
2´2=4kQ
L2. Avec la méthode énoncée à la section 2.3 du tome 1,
E1y=E1sin θ1=4kQ
L2³2
2´=22kQ
L2
E2est à un angle θ2= 270+45= 315ou 45par rapport à l’axe des xpositifs et son
module est E2=k|q2|
r2
2=kQ
³L
2´2=2kQ
L2.Ainsi,E2y=E2sin θ2=2kQ
L2³2
2´=2kQ
L2
Finalement,
E=2³22kQ
L2´
j+2³2kQ
L2´
j=42kQ
L2
j22kQ
L2
j=7,64 ×1010 Q
L2
j
On note que la solution reste la même si Q<0; le vecteur
Ene fait que changer de sens.
(b) Au point B, onar1=r2=qL2+¡L
2¢2=5
2Let r3=r4=1
2L. La gure donne
la direction des champs électriques si Q>0. Aucun des vecteurs ne possède le même
module.
v4 Électricité et magnétisme, Chapitre 2 : Le champ électrique 3
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Le module de
E1est E1=k|q1|
r2
1=2kQ
³5
2L´2=8kQ
5L2. On obtient les composantes de
E1en
faisant appel à l’angle θreprésenté dans la gure et en ajustant correctement le signe.
Puisque cos θ=L
r1=L
5
2L=2
5et sin θ=
L
2
r1=
L
2
5
2L=1
5,
E1=E1cos θ
iE1sin θ
j=8kQ
5L22
5
i8kQ
5L21
5
j=kQ
L2³16
55
i8
55
j´
Le module de
E2est E2=k|q2|
r2
2=kQ
³5
2L´2=4kQ
5L2et on obtient les composantes de
E2
avec le même angle θ:
E2=E2cos θ
iE2sin θ
j=4kQ
5L22
5
i4kQ
5L21
5
j=kQ
L2³8
55
i4
55
j´
Les deux derniers vecteurs champs sont directement sur l’axe des y:
E3=E3
j=k|q3|
r2
3
j=kQ
(L
2)2
j=4kQ
L2
j
E4=E4
j=k|q4|
r2
4
j=2kQ
(L
2)2
j=8kQ
L2
j
Finalement,
E=
E1+
E2+
E3+
E4=
E=kQ
L2³16
55
i8
55
j´+kQ
L2³8
55
i4
55
j´4kQ
L2
j8kQ
L2
j=
E=kQ
L2³³16
55+8
55´
i³8
55+4
55+4+8
´
j´=³6,44
i118
j´×109Q
L2
Ici aussi, on note que la solution reste la même si Q<0.
E6. On donne Q1>0et Q2<0.Selon les coordonnées fournies, la distance entre chaque
charge et l’un ou l’autre des deux points (A(1 m;0)et B(3 m;0))pour lesquels on
donne le champ résultant sera r1A=1,r
2A=1,r
1B=3,r
2B=1
Pour chaque point, on exprime le champ électrique résultant. Si on tient compte du signe
des charges inconnues, alors |Q1|=Q1et |Q2|=Q2.Le sens de chaque champ dépend
de la position relative des charges :
EA=
E1A+
E2A=k|Q1|
r2
1A
i+k|Q2|
r2
2A
i=(kQ1kQ2)
i=10,8
iN/C =
Q1Q2=1,20 ×109(i)
4Électricité et magnétisme, Chapitre 2 : Le champ électrique v4
© ERPI
EB=
E1B+
E2B=k|Q1|
r2
1B
ik|Q2|
r2
2B
i=¡1
9kQ1+kQ2¢
i=8,00
iN/C =
Q1+9Q2=8,00 ×109(ii)
Onrésoutleséquations(i)et(ii)etontrouve
Q1=0,280 nC, Q2=0,920 nC
E7. On donne m=1×1013 kg et q=2e=3,2×1019 C. La gouttelette subit son
poids
Fg=m
gvers le bas. Pour être en équilibre, elle doit subir une force électrique
FE=q
Evers le haut. Comme la charge est positive,
Eest lui aussi vers le haut :
P
F=0 =
Fg+
FE=m
g+q
E=0 =
E=m
q
g=m
q³g
j´=
E=(1×1013)(9,8)
3,2×1019
j=3,06 ×106
jN/C
E8. q1=3nC est au point A(0 cm ;0cm)et q2=7nC est au point B(8 cm ;0cm).La
distance entre les deux charges est r=0,08 m.
(a) On tient compte du signe de q1et de la position du point B:
E1B=k|q1|
r2
i=4,22 ×103
iN/C
(b) On tient compte du signe de q2et de la position du point A:
E2A=k|q2|
r2
i=9,84 ×103
iN/C
(c) À partir de l’équation 2.3a,ontrouve
F21 =q2
E1B=¡7×109¢³4,22 ×103
i´=2,95 ×105
iN
(d) À partir de l’équation 2.3a,onobtient
F12 =q1
E2A=¡3×109¢³9,84 ×103
i´=2,95 ×105
iN
E9. On donne q=5µC. La gure établit la direction du champ électrique de cette charge
aux deux points choisis à partir de la règle de la section 2.1 :
(a)Lemodulede
EAest EA=k|q|
r2
A
=(9×109)(5×106)
(2)2+(1)2=9,00 ×103N/C. On obtient les
composantes de
EAen utilisant l’angle θA= 180arctan ¡1
2¢= 153,4:
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