Module 3

Module 3
Électrostatique
Électrostatique
• Électricité qui ne bouge pas
Expérimentons
Petit rappel
• Tige d’ébonite et fourrure  tige devient
chargée négativement
• Tige de verre et plastique  tige devient
chargée positivement
Charger des objets
• Il existe 3 façons de charger un
objet, soit par frottement, par
contact ou par induction.
Charger par frottement
• Le transfert de charge par
frottement se produit en
frottant deux objets ensemble.
Un des objets gagne des
électrons tandis que l’autre perd
le même nombre d’électrons.
• Atome neutre
nombre de protons = nombre
d’électrons
• Atome avec charge positive
nombre de protons > nombre
d’électrons
• Atome avec charge négative
nombre de protons < nombre
d’électrons
Charger par induction
• Il est possible de transmettre
une charge permanente à un
conducteur sans contact avec un
objet chargé mais en utilisant
une mise à terre sur le corps
qu’on veut charger.
• Mise à terre : Principe au cours duquel, on
touche un objet ou on relie l’objet par un fil
conducteur avec le sol pour permettre au
surplus de charge de s’en aller dans le sol et
faire que l’objet devienne neutre.
• Si un objet est chargé négativement, en
effectuant une mise à terre, les électrons
quitteront l’objet pour s’en aller dans le sol.
• Si un objet est chargé positivement, en
effectuant une mise à terre, les électrons du
sol entreront dans l’objet pour que celui-ci
devienne neutre.
Charger par contact
• Il est possible de charger un objet
tout simplement en le touchant
avec un objet chargé. (voir figure 9
et 10 p.322)
Charges électriques
proton (p+)
+1,6 x 10-19 C
neutron (n0)
0
électron (e-) -1,6 x 10-19 C
Loi des charges électriques
• Les charges différentes
s’attirent
+
• Les charges semblables se
repoussent
+ +
- -
• Les objets chargés peuvent
attirer certains objets neutres
• Quels exemples pouvez-vous
donner ?
Loi de la conservation de la charge
• La charge totale (la différence des
charges positives et négatives) d’un
système isolé est toujours
conservée.
• Par frottement, il est possible de
déplacer des électrons d’un atome à
l’autre
B
A
1000 e
1000 e
avant : 1000
p
1000 p
après :
-
-
+
+
B
A
900 e1000 p+
1100 e1000 p+
On a transféré 100 e- de l’atome A à
l’atome B. L’atome A devient
chargé positivement et l’atome B
chargé négativement.
Charge électrique
q = Ne-
q : charge électrique (C)
1 Coulomb = 6,24 x 1018 e-
N : nombre d’électrons
(+ si les électrons sont transférés
- si les électrons sont gagnés)
e- : 1,6 x 10-19 C
Exemples
1) Quelle est la charge d’un
atome ayant un surplus de
100 électrons ?
2) Un atome a une charge de
+1,6 x 10-19 C. Combien
d’électrons ont été perdus ou
gagnés ?
3) Un atome a une charge de
-2 x 106 C. Combien
d’électrons ont été perdus ou
gagnés ?
4) Calcule la charge d’une petite
sphère à la surface de laquelle
il y a un surplus de 5 x 1014
électrons.
• Feuille de travail – Charge
électrique
Forces électriques
• Loi de Coulomb :
« La force entre deux charges
ponctuelles est inversement
proportionnelle au carré de la
distance entre les charges et
directement proportionnelle au
produit des charges »
• Charge ponctuelle: La charge est
distribué uniformément sur l’objet.
• La force est répulsive si les 2 charges
sont de mêmes signes.
• La force est attractive si les 2 charges
sont de signes contraires.
Formule
Fe = kq1q2
d2
Fe : Force électrique (N)
k : constante (9 x 109 Nm2/C2)
q1, q2 : charges (C)
d : distance (m)
Exemples
1) Quelle est la grandeur de la force
de répulsion entre une charge de
8 μC et une charge de 12 μC
séparée par une distance de 10
cm ?
2) Quelle est la grandeur de la force
de répulsion entre deux petites
sphères séparées de 1 m, si
chacune a une charge de
1,0 x 10-12 C ?
3) Calcule la force électrique qui
existe entre le proton de l’atome
d’hydrogène et son électron. La
distance séparant le proton et
l’électron est de 3,7 x 10-7 m.
Devoir
• Page 330 # 1a, 2a, 3 à 6
• Page 335 # 3
• Page 362 # 2
Loi de Coulomb vs Loi de la gravitation universelle
Similitudes :
• Les deux sont des lois du carré de la distance
et sont aussi proportionnelle au produit d’une
autre grandeur physique. Pour la force
gravitationnelle, c’est le produit des masses et
pour la force électrique, c’est le produit des 2
charges.
• La force s’exerce le long de la ligne qui joint
les centres des masses ou des charges.
• La grandeur de la force est la même que celle
que l’on mesurait si toutes la masse ou la
charge était concentrée en un point au centre
de la sphère.
Suite…
Différences :
• La force électrique peut attirer ou repousser,
tout dépend des charges en cause, alors que la
force gravitationnelle ne peut qu’attirer.
• La constante de gravitation universelle G =
6,67 X 10-11 N m2/kg2 est très petite, ce qui
signifie que dans bien des cas, on peut ignorer
la force gravitationnelle sauf, quand l’une des
masses est grande. Par contre, la constante de
Coulomb K = 9 X 109 N m2/C2 est un très
grand nombre, ce qui signifie que même des
petites charges peuvent produire des forces
notables.
Force électrique
Force électrique nette :
•
La force électrique nette sur une
charge unique est la somme vectorielle
de toutes les forces électriques calculées
indépendamment qui s’exerce sur elle.
• Comme la force électrique est une
quantité vectorielle, il faudra faire
l’analyse vectorielle des forces lorsqu’on
aura 3 charges électriques au plus en
cause dans un problème.
Exemples
1) Quelle est la force nette
agissant sur la sphère C ?
A
B
4 x 10-6 C
C
6,4 x 10-6 C
-2,5 x 10-7 C
20 cm
10 cm
2) Quelle est la force nette sur la
charge de 6μC ?
-4 μC
50 cm
5 μC
50 cm
50 cm
6 μC
3) Quelle est la force nette sur la
charge de 6μC ?
-6 μC
10 cm
10 cm
7 μC
9 μC
10 cm
10 cm
8 μC
4) Quatre sphères identiques
portant une charge d’une
grandeur de 5μC, sont placées
aux coins d’un carré de 25 cm
de côté. Deux charges
diagonalement opposées sont
positives et les deux autres
sont négatives. Calcule la
force nette qui agit sur
chacune des quatre sphères ?
Devoir
• Page 334 # 8 et 9
• Page 336 # 5 et 7
Champs électriques
• L’intensité du champ électrique
(ε) est défini comme la force
électrique par unité de charge
(mesuré en N/C)
ε = Fe
q
ou
ε = kq
d2
Exemples
1) Quel est le champ électrique à
0,60 m d’une petite sphère
portant une charge positive
de 1,2 x 10-8 C ?
2) Deux charges, l’une de
3,2 x 10-9 C, l’autre de
-6,4 x 10-9 C, sont séparées de
42 cm. Calcule le champ
électrique net au point P, à 15
cm de la charge positive, sur
la ligne qui relie les deux
charges.
Devoir
• Page 343 # 2 à 5
Le potentiel électrique
• Le potentiel électrique (V) ou la
différence de potentiel
électrique correspond au travail
nécessaire pour déplacer une
charge d’un point à un autre.
Formules
V=W
q
V = kq
d
ε=V
d
V : potentiel électrique (V)
W : travail (J)
q : charge (C)
d : distance (m)
ε : intensité (N/C)
Exemples
1) Calcule le potentiel électrique
à une distance de 0,4 m d’une
charge ponctuelle sphérique
de 6,4 x 10-6 C.
2) Quel est le potentiel
électrique nécessaire pour
déplacer une charge de 5 C
sur une distance de 25 cm si
une force de 5 N est
nécessaire ?
3) Quelle quantité de travail
doit-on produire pour
augmenter le potentiel d’une
charge de 3 x 10-7 C de 120 V ?
4) Dans un champ électrique
uniforme, la différence de
potentiel entre deux points
séparés de 12 cm est de
150 V. Calcule la grandeur de
la force du champ électrique.
5) La force du champ électrique
entre deux plaques parallèles
est de 450 N/C. Les plaques
sont raccordées à une pile
fournissant une différence de
potentiel de 95 V. Quelle est
la distance entre les plaques ?
Devoir
•
•
•
•
•
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18, 19, 23, 24 et 29 (1,0 x1012)