Etude d`un champ vectoriel

Auteurs : Sébastien Teyssier
Françoise Abd-El-Kader Académie de LYON
FICHE 1 PRÉSENTATION
Titre
Etude d’un champ vectoriel : le champ électrique
Type d'activité
Activité expérimentale
Objectifs de
l’activité
Etablir les caractéristiques d’un champ électrique régnant entre les deux
plaques d’un condensateur plan.
Références par
rapport au
programme
Cette activité illustre le thème Comprendre : Champ et force
et le sous thème Champ électrostatique
en classe de première S
Notions et contenus
Champ vectoriel, lignes de champ,
équipotentielles.
Compétences attendues
Cartographie d’un champ électrique.
Mesures de tension.
Exploitation d’un graphe.
Conditions de
mise en œuvre
Prérequis : Cours sur les champs
Durée : 1 H 30 minimun
Contraintes matérielles : Voir fiche matériel
Remarques
Merci à Houssein Qariouh qui a gentiment testé ce TP.
Auteurs
Sébastien Teyssier et Françoise Abd-
El-Kader
Académie de LYON

Auteurs : Sébastien Teyssier
Françoise Abd-El-Kader Académie de LYON
FICHE 2 LISTE DU MATÉRIEL
TP ETUDE D’UN CHAMP VECTORIEL, LE CHAMP ELECTRIQUE
Le matériel nécessaire aux manipulations disposé sur la paillasse du professeur.
 Rétroprojecteur
 Machine de Wimshurst.
 Une boîte rectangulaire transparente
 Graines de gazon ( ou de cumin )
 Huile
 Deux plaques métalliques + deux pinces croco + deux fils électriques.
 Un petit pendule électrostatique que l’on peut charger positivement avec un bâton de
verre frotté.
Le matériel nécessaire aux manipulations disposé sur la paillasse des élèves.
 Une plaque de plexiglas ou de verre.
 Une lavette absorbante en éponge fine ou feutrine.
 Deux lames de cuivre + deux pinces croco + deux fils électriques
 Un générateur continue 6 V
 Un voltmètre + un fil et un stylet ( pointe métallique )
 Une solution de sulfate de cuivre concentrée. ( C =

Auteurs : Sébastien Teyssier
Françoise Abd-El-Kader Académie de LYON
FICHE 3 FICHE POUR LE PROFESSEUR
TP : ETUDE D’UN CHAMP VECTORIEL, LE CHAMP ELECTRIQUE E
Objectif : Etablir les caractéristiques du champ électrique E régnant entre les deux plaques A et B d’un
condensateur plan.
Un condensateur plan est constitué de 2 armatures planes et parallèles séparées par un isolant ; La distance
entre les armatures devant être faible devant leurs dimensions.
I- PREMIERE APPROCHE :
Expérience n°1 : On place le dispositif suivant sur un rétroprojecteur :
A et B sont deux plaques métalliques verticales dont les bases
baignent dans de l’huile de ricin.
On saupoudre des graines de gazon entre A et B. ATTENTION
NE FONCTIONNE PAS POUR L’INSTANT.
1- Que visualisent les graines de gazon ? Les lignes de champ.
2- Comment est disposé le champ électrique par rapport aux
graines de gazon ? Le champ électrique est tangent au ligne de
champ.
Expérience n°2 : Les plaques A et B étant toujours verticales, on constate qu’une petite bille ponctuelle,
de masse m et chargée positivement, suspendue à un fil entre les armatures est attirée par la plaque B.
1- Cette information permet-elle de connaître le sens du champ électrique ? Justifiez votre réponse et si
oui
donnez son sens. Oui car à lintérieur di condensateur, la bille subie une force électrique de la forme F =
q.E, si q > 0 alors la force est dans le même sens que le champ. La bille est attirée par la plaque B. Donc le
champ est horizontal dirigé vers la gauche.
2- Schématisez le dispositif précédent avec les courbes formées par les graines de gazon et tracez
quelques vecteurs champ électrique en plusieurs points à l’intérieur du condensateur, que constatez-vous ?
On constate que les lignes de champ électrique à l’intérieur du condensateur sont parallèles entre elles.
II- DEUXIEME APPROCHE :
Expérience n°3 : Le dispositif est maintenant le suivant :
On dispose sur une plaque de verre, un morceau de feutrine imbibée d’une solution de sulfate de cuivre.
Deux lames de cuivre sont disposées bien à plat sur les bords et maintenues par deux pinces crocodiles
chacune.
Elles sont distantes de d = 5 cm
Ces plaques sont reliées aux bornes d’un générateur de tension continue de f.é.m 6 V.
Un voltmètre associé à une pointe métallique ( stylet S ) permet d’explorer le potentiel de tous les points
compris entre les plaques.
On choisit par convention la plaque B comme référence des potentiels : VB = 0V.
B
A
Générateur

Auteurs : Sébastien Teyssier
Françoise Abd-El-Kader Académie de LYON
1- Sur le schéma, reliez le multimètre au montage et indiquez ses bornes.
Afin de repérer la position du stylet S entre les plaques A et B, on définit le repère (Oxy) suivant :
les coordonnées du stylet S sont xS et ys dans le repère (Oxy).
a- On déplace le stylet de B vers A. Comment la tension USB évolue-t-elle ?
USB augmente.
b- Compléter le tableau suivant pour les différentes positions du stylet :
Quelles sont les
observations que l’on
peut faire à la première
lecture de ce tableau ?
Potentiels constants sur
chaque ligne du tableau.
Potentiels croissants
pour xS croissant.
Schématisez le
dispositif ci-contre et
tracez les lignes de
potentiel constant à
l’intérieur du
condensateur. Que constatez-vous ? Les lignes de potentiel constant sont parallèles entre elles et
perpendiculaires aux lignes de champ.
c- On étudie maintenant la variation du potentiel le long d’une droite ys = constante ( chaque groupe de
TP prend une valeur de y différente ) ici avec YS = 2,0 cm
Tracer le graphe de la fonction USB = f (xs). En déduire une relation entre USB et xs. Comparez les résultats
de chacun des groupes. Que constatez-vous ?
Vers le - Vers le +
du générateur du générateur
Plaque de cuivre B E Plaque de cuivre A
COM
V
s
ys
(cm)
xS (cm)
4,0
2,0
0,0
- 2,0
- 4,0
1,0
1,36
1,38
1,32
1,36
1,32
1,5
2,02
2,06
1,98
2,02
2,02
2,0
2,58
2,56
2,56
2,58
2,56
2,5
3,37
3,34
3,35
3,37
3,35
3,0
4,02
4,02
3,98
3,98
3,98
3,5
4,50
4,48
4,50
4,52
4,50
4,0
5,02
5,02
5,04
4,98
5,02
4,5
5,68
5,66
5,60
5,62
5,64
Plaque de verre recouverte de feutrine
imbibée d’une solution de sulfate de cuivre
Pince croco
Stylet S
O
y
x
A
B

Auteurs : Sébastien Teyssier
Françoise Abd-El-Kader Académie de LYON
Variation de USB en fonction de l'abscisse du stylet
y = 1,2849x
0
1
2
3
4
5
6
7
0 1 2 3 4 5
Abscisse du stylet en cm
Tension USB en Volt
On constate que quelque soit
le groupe, les graphes ont
tous l’allure d’une droite
quasi linéaire.
Par conséquent les quantités
USB et xS sont
proportionnelles.
USB = 1,2849 xS
d- Utilisez votre graphique pour xs  0 cm ; 5 cm afin de déterminer la valeur de USB pour xs = 5,0 cm.
Pour xS = 5,0 cm USB = 6,2 V
e- Sachant que le facteur de proportionnalité entre USB et xs est égal à la valeur du champ électrique
entre les deux armatures, que pouvez-vous dire de l’intensité du champ électrique à l’intérieur d’un
condensateur plan ?
E est constant à l’intérieur du condensateur.
Etablir l’expression de E en fonction de UAB et d. E = UAB / d avec E = 1,28 V.cm-1 = 128 V.m-1
f- On place le stylet au point S de coordonnées ( xs = 2 cm ; yS = 0,0 cm ) dans le repère ci-dessus.
La plaque B reste fixe. On déplace la plaque A jusqu'à ce que xA = 10,0 cm.
Quelle sera la valeur de la tension UAB entre les plaques ? UAB = 6,2 V = tension aux bornes du
générateur.
Quelle sera la valeur E du champ électrique entre les plaques ? E = UAB / d = 6,2 / 0,1 = 62 V.m-1
Quelle sera la tension USB mesurée ? USB = E. xS = 62. 0,02 = 1,24 V
g- Placez sur le schéma précédent quelques vecteurs E à l’intérieur du condensateur et déduisez-en
comment sont placés les vecteurs champ par rapport aux équipotentielles ? Les vecteurs champ sont
toujours perpendiculaires aux équipotentielles.