Champs - Ma page Sciences physiques

Champs
Les actions à distance s'exercent par l'intermédiaire d'un champ.
I_ Qu'est ce qu'un champ ?
Dans une région de l'espace où existe une grandeur physique
(qu'on peut mesurer), on dira qu'il existe un champ de cette
grandeur.
Si cette grandeur est un scalaire (nombre), on dira qu'on a un
champ scalaire.
Exemple : champ de température (doc 7 p. 222), champ de
pression...
Si cette grandeur est un vecteur, on a un champ vectoriel.
Exemple : champ de vitesse de l'air (activité p. 218).
Un vecteur possède une direction, un sens et une valeur.
Le champ est uniforme si ces trois caractéristiques sont constantes
dans l'espace considéré.
II_ Champ de gravitation et de pesanteur
Pesanteur = gravitation locale.
1°) Champ de gravitation
Loi de gravitation de Newton (voir ch. 7)
Une région de l'espace où une masse m est soumise à une force
de gravitation sera le siège d'un champ de gravitation. La valeur du
champ s'obtient en divisant par m la valeur de la force de
gravitation.
Si la masse m placé en un point P subit d'un corps de masse M une
Gm M
force F(P)=
2
d
Le champ de gravitation G au point P est donné par :
⃗
⃗
G (P) = F(P)
m
GM
D'où G (P) =
(en N.kg-1).
2
d
Exemple : Champ créée par une masse sphérique (planète,
étoile...)
Le champ est radial, dirigé vers le centre de la masse sphérique.
Les courbes tangentes au vecteur champ forment les lignes de
champ (doc. 14 p. 225).
Pour un champ de gravitation crée par une masse sphérique, les
lignes de champ sont des demi-droites centrées sur la masse.
Le champ de gravitation n'est pas uniforme : les lignes de champ
ne sont pas parallèles entre elles et sa valeur décroît avec la
distance.
2°) Champ de pesanteur
Le champ de pesanteur est le champ de gravitation de la Terre.
GM T
g=
⃗
g
On le note
et sa valeur est donnée par
2 avec MT
(R T+h)
masse de la Terre, RT le rayon de la Terre et h, l'altitude par rapport
au sol.
Le calcul donne, pour h = 0 m : g = 9,83 N.kg-1 .
On reconnaît la valeur de l'intensité de la pesanteur au sol de la
relation P = m.g. La force de gravitation que la Terre exerce sur les
objets à sa surface s'identifie au poids de cet objet (en négligeant la
rotation de la Terre) (voir activité 4 p. 221).
Localement (quelques centaines de mètres dans toutes les
directions autour d'un endroit donné) le champ de pesanteur peut
être considéré comme uniforme (doc. 15 p. 225).
III_ Champ magnétique et électrostatique
1°) Champ magnétique créé par des aimants
Activité 3 p. 220
Le voisinage d'un aimant est le siège d'un champ magnétique mis
en évidence par la déviation d'une aiguille aimantée. C'est un
champ vectoriel désigné par la lettre ⃗
B . Sa valeur s'exprime en
tesla (T).
La direction du champ localement est donnée par l'axe de l'aiguille
aimantée. Le sens du champ est le sens Sud → Nord de l'aiguille
aimantée.
De la limaille de fer saupoudrée au voisinage de l'aimant
matérialise les lignes du champ magnétique. Celles-ci se
concentrent aux pôles de l'aimant et s'orientent du Nord au Sud
(doc 10 p. 223).
Ordre de grandeur de champ crées par des aimants : de 0,1T à 1,0
T.
2°) Champ magnétique crée par des courants
Expérience d'Oersted (activité 3 p. 220) Un fil parcouru par un
courant fait dévier une aiguille aimantée placé au voisinage du fil.
Le courant a créée un champ magnétique autour du fil.
Vidéo :
https://www.canalu.tv/video/tele2sciences/une_experience_a_la_fa
con_d_rsted.12547
Champ crée par un fil rectiligne
Voir vidéo :
https://www.canalu.tv/video/tele2sciences/champ_magnetique_cree
_par_un_fil_rectiligne.8936
Champ crée par un solénoïde
Solénoïde : fil conducteur enroulé sur un cylindre.
Voir :
http://physiquecollege.free.fr/physique_chimie_college_lycee/lycee/
premiere_1S/solenoide_champ_magnetique_intensite_poles.htm
En vue de dessus :
Lignes de champ
Axe du
solénoïde
i
B
Le fil est parcouru par un courant continu d'intensité i.
Il crée un champ magnétique ⃗
B à l'intérieur et autour du solénoïde
mais comme les lignes de champ sont des droites parallèles entre
elles à l'intérieur, on en conclut que le champ y est uniforme.
Sa direction est celle de l'axe du solénoïde.
Son sens est donné par le sens Sud → Nord d'une aiguille
aimantée placée à l'intérieur.
On peut le trouver avec la règle de la main droite :
On place la main droite sur le solénoïde, le courant entre par le
poignet et sort par les doigts. Le pouce tendu indique le sens de
⃗
B .
μ 0 Ni
La valeur de ⃗
est
donnée
par
B
=
B
L
-7
Avec µ0 = 4π.10 S.I. ; N : nombre de spires (nombre de tours de
fils sur le cylindre) ; i : intensité du courant (en A).
Exemple : pour N = 1000 spires ; i = 1,0 A et L = 0,50 m ;
B = 2,5.10-3 T.
Champ magnétique terrestre (doc. 11 p. 223 et ex 16 p 229)
3°) Champ électrostatique
Une charge électrique q0 placée en un point O crée autour d'elle un
champ électrostatique ⃗
E dont les caractéristiques sont :
_ Direction : radiale autour de la charge
_ Sens : centrifuge si q0 > 0, centripète si q0 < 0
kq0
9
_ Valeur en un point P : E(P) =
2 avec k = 9,0.10 S.I. et d = OP
d
Une charge électrique qP placée au point P subira une force
électrique F de la part de la charge q0 telle que ⃗
E
F = q⃗
⃗
F et ⃗
E sont colinéaires (même direction) et de même sens si q >
0, de sens contraires si q < 0 (voir ci-dessous).
Champ crée par un condensateur (voir TP correspondant)
Lignes de champ
E
équipotentielles
E
O
F P
q
Si q < O
q0 > 0
E
F
Si q > O
E
Lignes de champ
E
équipotentielles
E
O
q<0
E
E