Cours élève

Cours de Physique – Chimie Première S
Partie : Comprendre : Lois et modèles
Thème : Champs et forces
Chapitre XVI
CHAMPS ET FORCES
Compétences attendues :
•Recueillir et exploiter des informations (météorologie, téléphonie portable etc...) sur un phénomène
pour avoir une première approche de la notion de champ.
•Décrire le champ associé à des propriétés physiques qui se manifestent en un point de l'espace.
•Comprendre comment la notion de champ a émergé historiquement d'observations expérimentales.
•Pratiquer une démarche expérimentale pour cartographier un champ magnétique ou électrostatique.
•Connaître les caractéristiques :
•des lignes de champ vectoriel
•d'un champ uniforme
•du champ magnétique terrestre
•du champ électrostatique dans un condensateur plan
•du champ de pesanteur local
•Identifier le champ de pesanteur au champ de gravitation, en première approximation.
Le mot champ est souvent utilisé pour parler d'une zone propice à l'activité humaine et en
particulier à l'agriculture. Mais quel sens les physiciens donnent-ils à ce mot ?
I. Notion de champ
1°) Émergence du concept de champ
Les phénomènes magnétiques des aimants sont connus depuis l'Antiquité.
En 1820, le physicien danois Orsted met en évidence un effet magnétique créé par le passage
d'un courant électrique dans un fil.
Faraday (physicien anglais 1791-1867) réalise des spectres magnétiques d'aimants et de circuits
électriques. Ses travaux l'amènent à proposer un nouveau concept qui prend en compte les
propriétés de l'espace au voisinage des objets (aimant ou circuit parcouru par un courant), et non
plus seulement les interactions entre deux objets.
Maxwell (physicien écossais 1831-1879), en s'appuyant sur les travaux de Faraday et d'Ampère,
introduit les concepts de champ magnétique et de champ électrique et développe la théorie de
l'électromagnétisme.
2°) Champ scalaire et champ vectoriel
En physique, un champ est la représentation d'un ensemble de valeurs prises par une grandeur
physique en différents points d'une région de l'espace.
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II. Représentation des champs
1°) Cartographie d'un champ
Pour représenter un champ scalaire, les physiciens font figurer sur un plan (de la zone étudiée) les
valeurs de la grandeur mesurée en différents points.
Pour représenter un champ vectoriel, les physiciens font figurer sur un plan les vecteurs
correspondant à la grandeur mesurée en différents points.
2°) Ligne de champ vectoriel
3°) Champ uniforme
Les lignes de champ d'un champ uniforme sont parallèles entre elles.
III. Champ magnétique
La Terre, les aimants et les circuits parcourus par des courants sont des sources de champ
magnétique.
1°) Détection et effets d'un champ magnétique
Une aiguille aimantée placée en un point au voisinage d'un aimant subit une action mécanique (à
distance) : elle s'oriente différemment selon la position du point.
La trajectoire de particules chargées électriquement peut être modifiée par un champ magnétique.
En revanche, un champ magnétique est sans effet sur une particule chargée immobile.
2°) Le vecteur champ magnétique
⃗
B
Le champ magnétique est un champ vectoriel.
On représente le champ magnétique en un point de l'espace par un vecteur champ magnétique
⃗
B
tel que :
•son origine est le point choisi ;
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•sa direction est celle qu'aurait une aiguille aimantée placée en ce point ;
•son sens va du pôle sud au pôle nord à travers l'aiguille aimantée ;
•sa valeur se mesure avec un teslamètre et s'exprime en tesla (T).
3°) Le champ magnétique terrestre
Les points d'intersection entre l'axe de cet aimant et la surface terrestre sont appelés pôles
magnétiques nord et sud.
La valeur du champ magnétique terrestre dépend du lieu : elle varie entre 20 µT et 70 µT.
IV. Champ électrostatique
1°) Détection
Pour mettre en évidence un champ électrostatique en un point de l'espace on utilise un pendule
électrostatique.
Lorsqu'on approche un objet chargé par frottement d'une petite boule de polystyrène suspendue à
un fil, cette dernière se déplace. L'objet exerce donc une action à distance sur la boule suspendue.
Cette action peut être modélisée par une force à distance, appelée force électrostatique, qui
s'exerce en tout point de l'espace autour de l'objet chargé.
2°) Le vecteur champ électrostatique
⃗
E
Il règne un champ électrostatique
⃗
E
en un point de l'espace lorsqu'une charge électrique y subit
une action mécanique.
Le champ électrostatique est un champ vectoriel.
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3°) Champ électrostatique dans un condensateur plan
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Les deux unités V.m-1 et N.C-1 sont équivalentes mais la valeur E du champ électrique est
exprimée généralement en V.m-1.
V. Champs de pesanteur et de gravitation
Un objet de masse m permet de mettre en évidence le champ de pesanteur et le champ de
gravitation.
1°) Champ de pesanteur
Un champ de pesanteur règne en un point de l'espace autour de la Terre (ou d'une planète)
lorsqu'un objet massique, placé en ce point, y subit une action mécanique d'attraction modélisée
par son poids.
Le champ de pesanteur est un champ vectoriel.
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La valeur de g dépend du lieu. Par exemple, g = 9,81 N.kg-1 à Paris.
Localement, lorsque les dimensions sont de l'ordre du kilomètre, on peut considérer que le champ
de pesanteur est uniforme. On parle de champ de pesanteur local.
2°) Champ de gravitation
Un champ de gravitation règne en point de l'espace lorsqu'un objet massique, placé en ce point, y
subit une action mécanique d'attraction gravitationnelle du fait de la présence d'un autre objet
massique.
Le champ de gravitation est un champ vectoriel.
Le champ de gravitation est centripète : toutes les lignes de champ sont orientées vers le centre
de l'objet massique à l'origine du champ.
3°) Champ de pesanteur et champ de gravitation
En raison du mouvement de rotation de la terre, le poids d'un objet n'est pas tout à fait identique à
la force d'attraction gravitationnelle exercée par la Terre sur cet objet.
Par conséquence, les champs de pesanteur
⃗g
et de gravitation
⃗
Gterre
ne sont pas
rigoureusement identiques.
Mais la différence entre
⃗g
et
⃗
Gterre
est suffisamment faible pour qu'au voisinage de la terre le
champ de pesanteur s'identifie au champ de gravitation :
⃗g
=
⃗
Gterre
.
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