Cours 5 - Électricité - Groupe de Physique des Particules
publicité
Cours 5 - Électricité Tome 2 – Chapitre 1 Tome 2 – Chapitre 2 (début) Retour sur le dernier cours • • • • • Lentilles minces Loupe Microscope composé Télescope Œil – Petite précision… Puissance maximale: Pmax = 1/dPP + 1/l Puissance minimale: Pmax = 1/dPR + 1/l Puissance d’accommodement: Pacc = 1/dPP-1/dPR • Questions? Électrostatique – Tome 2 chapitre 1 • Charge électrique – Définition, quantification, conservation • Différence entre les isolants et conducteurs – Propagation de la charge dans un matériau • Induction – Séparation de la charge sans contact • Loi de Coulomb – Force électrique entre 2 charges élémentaires • Principe de superposition – Force électrique dans un système à plus d’une charge Lexique • • Système SI: Système de Standards Internationaux Charge élémentaire e – Unité de base de la charge qualifiant la charge d’une particule (électron: -e, proton, +e) – e = 1.602 × 10-19 C • C : Coulomb, unité SI de la charge, équivaut à 1 Ampère (A) x 1 seconde (sec) 1 C = 1 A.sec • Conducteur • Isolant • Temps de relaxation – Matériau diffusant rapidement la charge à travers tout son volume – Matériau diffusant difficilement la charge à travers son volume. – Temps nécessaire pour atteindre l’équilibre de charge dans un matériau • Induction • Constante de permittivité du vide ε0 (epsilon 0) – Un corps acquérant une charge électrique sans contact l’obtient par induction – ε0 = 8.85 x 10-12 C2/N.m2 avec N, le newton, l’unité dans le système SI de la force on peut exprimer la permittivité du vide avec d’autres unités que l’on verra plus tard dans le cours. Charge électrique (q) • Atome est neutre: – Composé d’un noyau de protons (charge positive) et de neutrons (électriquement neutres) et d’électrons (charge négative). • Nombre de protons = Nombre d’électrons • Ion est un atome auquel un électron a été attaché (ion négatif, ex. Cl-) ou duquel un électron a été détaché (ion positif, ex. Na+) • Unité de base: e = 1.602 × 10-19 C – Toutes les particules isolées observées ont des multiples entiers de la charge élémentaire. Les quarks possèdent des fractions de cette charge élémentaire mais n’ont pas été observés isolés (pour l’instant…) – Charge de l’électron: qe = - e – Charge du proton: qp = + e • La charge est conservée dans les interactions: – Na+ + Cl- → NaCl – n → p + e- + νe +e + -e → 0 0 → +e + -e + 0 Matériaux conducteurs et isolants •Conducteurs –Substance laissant circuler les charges librement – temps de relaxation court •Ex: Cuivre 10-12 sec –Électron(s) de valence très peu lié(s) •Électrons sont libres •Isolants – Substance laissant très difficilement circuler les charges –temps de relaxation long •Ex: Polystyrène 1010 sec –Électrons de valence fortement liés •Liens covalents complets Il existe un troisième groupe: les semi-conducteurs Se comporte en général comme des isolants mais leur conductivité est beaucoup plus élevée. On peut ajouter des impuretés dans leur réseau pour les rendre encore plus conducteurs. Ex: silicium, germanium Induction • Principe premier: les charges inverses s’attirent • On approche d’un matériau neutre, un objet chargé positivement ++++ A B • Les charges négatives (électrons) sont attirées vers l’objet positif, laissant derrière elles des charges positives (ions) ++++ A - + + B+ ++ • Si l’on retire les charges positives (soit en séparant l’objet initialement neutre ou en le mettant à la terre), l’objet restera négativement chargé. ++++ -A - + + B+ ++ ++++ -A - + + B+ ++ - Loi de Coulomb •Charles Augustin de Coulomb a établit expérimentalement la loi régissant l’interaction entre deux charges ponctuelles, soit la force électrique: qQ qQ 1 F 2 k 2 40 r r •La force électrique entre deux charges ponctuelles aura une direction radiale et une symétrie sphérique Mêmes signes A Signes opposés r B A r B •Charges de mêmes signes: force de répulsion (positive) •Charges de signes opposés: force d’attraction (négative) Principe de superposition • S’il y a plusieurs charges, les forces électriques s’additionnent selon le principe de superposition F1 F12 F13 F14 ... F1N • Avec FAB : force exercée sur A par B • Une charge n’applique aucune force sur ellemême Champ électrique – Tome 2 chapitre 2 • Champ électrique – Définition, orientation, relation avec la force • Lignes de champ • Champ électrique dans les conducteurs • Charges en mouvement dans un champ électrique uniforme • Distribution de charges continues – Densité linéique de charge – Densité surfacique de charge • Dipôles – – – – Champ électrique dans un dipôle Moment dipolaire électrique Moment de force Énergie potentielle Champ électrique •Comment les particules chargées interagissent-elles sans se toucher? –Via le champ électrique •Une charge est entourée d’un champ invisible à portée infinie. Toute autre charge entrant dans ce champ subit son effet. Prenons une charge Q dont la charge qess entre dans le champ d’interaction. –Le champ électrique est défini comme la force par unité de charge en un point donné. FE E qess •Avec la loi de Coulomb: F E k FE1 qess E1 Q charges de mêmes signes (+) ORIENTATION qessQ r2 •Champ électrique est donc: Ek Q r 2 Champ entre dans une charge négative Champ sort d’une charge positive Force et champ électrique •Vecteur de Force FE qE •Module de Force FE q E ORIENTATION Charge négative: Force dans la direction opposée du champ Charge positive : Force dans la direction du champ Principe de superposition E E1 E2 E3 ... EN Ei i Lignes de champ - Propriétés • Lignes de champs vont TOUJOURS du positif au négatif – Charges positives « émettent » – Charges négatives « absorbent » • Nombre de ligne proportionnel à la charge • Direction du champ est TANGENTE à la ligne de champ • Intensité du champ proportionnelle à la densité de lignes • Lignes de champs ne se coupent JAMAIS Champ électrique et conducteurs • À l’équilibre électrostatique, – le champ électrique macroscopique résultant à l’intérieur d’un conducteur homogène est nul – le champ électrique extérieur à proximité du conducteur est partout perpendiculaire à la surface du conducteur – la charge excédentaire d’un conducteur (homogène) se répartit sur sa surface
