Physique

Physique
Électricité
&
Magnétisme
25 août 2007

Préambule :
Ce cours d’électricité et de magnétisme a été écrit au début avec le logiciel de PAO Lyx, une interface
graphique au célèbre Latex et aujourd’hui directement en latex. Il a donc été créé dans un environnement
(ces deux logiciels tournant sous GNU-Linux) libre dont l’objectif est de contribuer au progrès en mettant
à disposition de chacun, pour un coût moindre, le travail de milliers de programmeurs bénévoles. Dans ce
cadre, il était naturel de permettre à chaque étudiant d’avoir accès à ce cours librement. C’est pourquoi, à
l’instar des logiciels, il est distribué sous licence GFDL, licence de documentation libre. Attention cependant
aux images qui ne sont pas toute sous licence GFDL, mais peuvent être soumise à une autre licence libre ou
être dans le domaine publique. Cela peut avoir une importance dans certains cas.
Normalement la licence GFDL doit figurer avec le cours. Ce n’est pas le cas et ce pour ne pas allonger
trop le texte. Mais, le texte de la GFDL se trouve partout sur internet et il suffit d’un moteur de recherche
pour le trouver. Par ailleurs, le texte de ce cours est disponible en téléchargement à l’adresse
http ://www.cvgg.org
Pour tout renseignement complémentaire s’adresser à :
Vincent Guyot
Chapeau-Râblé 37
2300 La Chaux-de-Fonds
vincent[email protected]g
Copyright 2007 Guyot Vincent
Permission vous est donnée de copier, distribuer et/ou modifier ce document selon les termes de la Licence
GNU Free Documentation License, Version 1.1 ou ultérieure publiée par la Free Software Fundation ; avec
les sections inaltérables suivantes :
Pas de section inaltérables
avec le texte de première page de couverture suivant :
Physique Électricité & Magnétisme
avec le texte de dernière page de couverture suivant :
Pas de texte de dernière page de couverture
Une copie transparente de ce document se trouve à l’adresse suivante :
http ://www.cvgg.org/Accueil/Physique/

Table des matières
1 Introduction 13
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2 Rappels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.1 Les lois de Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Première loi (loi d’inertie) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Seconde loi (principe fondamental) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Troisième loi (action et réaction) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.2 La loi de la gravitation universelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2 Électrostatique 15
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 La loi de Coulomb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.1 La charge électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.2 Le pendule électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Description de l’expérience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Explications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.3 Les isolants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.4 L’électroscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Description de l’expérience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Explications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.5 La machine de Van der Graaff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Description de l’expérience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Explications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.6 La machine de Wimshurst . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.7 La foudre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.8 Conservation et charge élémentaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.9 La loi de Coulomb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3 Le Champ électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.1 La loi de Coulomb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.2 La notion de champ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3

TABLE DES MATIÈRES TABLE DES MATIÈRES
2.3.3 Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.4 Corollaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.5 La cage de Faraday . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.6 Lignes de champ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.7 La notion de potentiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3 Électrocinétique 29
3.1 Circuit et courant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2 Résistance et loi d’Ohm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3 Sécurité électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3.2 L’électricité et l’homme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Facteurs importants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Symptômes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Traitements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3.3 Les mesures de sécurité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Le réseau électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Pour les bâtiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Pour l’homme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4 Énergie et puissance électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.5 Accumulateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.5.1 Équations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.5.2 Types d’accumulateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.6 Circuits électriques : les multiprises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.6.1 Circuit série . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.6.2 Circuit parallèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4 Magnétisme 43
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2 Le champ magnétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2.1 Définitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2.2 Le champ magnétique terrestre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.2.3 L’expérience d’Œrsted . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.2.4 Le magnétisme dans la matière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.2.5 Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.3 La loi de Laplace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.3.1 Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.3.2 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Galvanomètre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Moteur électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.4 La loi de Lorentz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.4.1 Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.4.2 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Télévision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Accélérateur de particules : le cyclotron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Spectrographe de masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4

TABLE DES MATIÈRES TABLE DES MATIÈRES
5 Électromagnétisme 57
5.1 Nature de la lumière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.2 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
A Unités internationales 65
A.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
A.2 Les unités choisies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
A.3 Exemple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
A.4 Conversions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
A.5 Multiples et sous-multiples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
A.6 Notation scientifique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
A.7 Valeurs importantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
B Histoire de l’électricité 69
B.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
B.2 Le galvanisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
B.3 Frankenstein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
B.4 La pile de Volta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
B.5 Courant et tension : Ampère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
B.6 Ohm et la notion de résistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
B.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
C La pile électrique 79
D La notion de tension 83
D.1 Analogie gravitationnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
D.2 Tension et potentiel électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
E Circuits en série et en parallèle 85
E.1 Deux résistances en série . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
E.2 Deux résistances en parallèles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
E.3 Circuit quelconque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
F Vitesse des électrons dans un fil conducteur 87
G Ligne à haute tension 89
H Le cyclotron en équations 93
I Exercices 95
I.1 Problèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
I.1.1 Relatifs à la loi de Coulomb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
I.1.2 Relatifs au champ électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
I.1.3 Relatifs à la sécurité électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
I.1.4 Relatifs à la loi d’Ohm et de Pouillet et à la puissance et à l’énergie . . . . . . . . . . 97
I.1.5 Relatifs au magnétisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
I.2 Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5