Mouvements de particules chargées dans un champ électrique ou

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MOUVEMENTS DE PARTICULES CHARGEES
DANS LES CHAMPS ELECTRIQUE ET MAGNETIQUE
I-
Mouvement d’une particule chargée dans un champ électrique uniforme
1- Equation du mouvement
On considère une particule chargée M, de charge q et de masse m, supposée ponctuelle se
déplaçant entre deux plaques aux bornes desquelles est appliqué une ddp U
AB
= V
A
– V
B
>
0.
On étudie le mouvement de la particule chargée dans le férentiel du laboratoire supposé
galiléen.
On pose
0
0. x
v v e
=
le vecteur vitesse initiale de la
particule, la distance entre les deux plaques et l leur
largeur.
Le champ électrique uniforme
0
E
régnant entre les
deux plaques est alors donné par la relation :
0 0
y
dV
E gradV E .e
dy
= − = −
Soit en notant le champ
0
0 y
E E .e
=
, il vient :
dV = - E
0
.dy
V
A
– V
B
= - E
0
.(y
A
– y
B
)
AB
0
U
E
a
⇔ =
On retrouve ainsi que le champ électrostatique est dirigé suivant les potentiels
décroissants.
La particule chargée est ainsi soumise :
- à son poids
P m.g
=
 
;
- à la force électrique
0
F q.E
=
 
En prenant l’exemple d’un proton (q = e = 1,6.10
-19
C, m = 1,67.10
-27
kg) dans un champ
électrique d’intensité E
0
= 10
4
V.m
-1
, on déduit :
26
P 1,64.10 N
=
15
F 1,6.10 N
=
On applique le principe fondamental de la dynamique à la particule :
m. (M ) F
γ
= ⇔
 
P F : on peut négliger le poids devant la force éle
ctrique
<<
 
0
(M )
γ
0
q.E
m
0
v
x
= C
1
)M(v v
y
=
0
q.E
m
.t + C
2
v
z
= C
3
O
0
v
y
x
V
A
> V
B
V
B
0
E
Trajectoire pour q > 0
Trajectoire pour q < 0
F
F
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Comme à t = 0,
x.0
0evv
=
, il vient C
1
= v
0
et C
2
= C
3
= 0.
Comme à t = 0,
0
OM 0
=
 
, il vient C’
1
= C’
2
= C’
3
= 0.
On en déduit l’équation cartésienne de la trajectoire :
2
0
0
q.E
x
y .
2m v
 
=
 
 
: parabole tournant sa concavité vers le bas pour q > 0 et vers le haut pour q
< 0.
2- Etude de la déviation électrique
La déviation électrique au point P de la
trajectoire est donnée par l’angle θ entre la
tangente à la trajectoire en P et la direction de
la vitesse initiale, ici la direction (Ox).
On utilise que la tangente en un point d’une
parabole d’extremum à l’origine vient couper
l’axe des abscisses en X/2. On en déduit :
Y
tan
X / 2
θ
= =
0
2
0
q.E
.X
m.v
On constate ainsi que la déviation électrique augmente avec l’abscisse (propriété de la
parabole).
De plus θ augmente avec E
0
et décroît avec la masse et le carré de la vitesse
2
0
v
.
3- Etude énergétique
Le système n’est ici soumis qu’à la force électrique conservative. Son énergie mécanique se
conserve donc.
On peut ainsi écrire :
E
m
= E
c
+ E
p
=
2
1
.m.v (P)
2
+ q.V(P) + V
0
= cste
Ainsi entre les instants t = 0 et t, on a :
2
0
1
.m.v
2
+ q.V(O) =
2
1
.m.v (P)
2
+ q.V(P)
or, V(P) – V(O) = - E
0
.y , ce qui permet de déduire :
v
2
(P) =
20
0
2.q.E
v .y
m
+
v
x
= v
0
)M(v
v
y
=
m
E.q
0
.t
v
z
= 0
x = v
0.
t + C’
1
OM y =
m
2
E.q
0
.t
2
+ C’
2
z = C’
3
x = v
0.
t
OM
y =
0
q.E
2m
.t
2
z = 0
O
0
v
y
x
0
E
X
X/2
θ
θθ
θ
P
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4- Cas particulier : champ électrique colinéaire à la vitesse initiale
Dans le cas le champ électrique est colinéaire à la vitesse initiale (
0
0 y
v v e )
=
, on peut
rapidement déduire, en utilisant le théorème de l’énergie mécanique (ou de l’énergie
cinétique):
E
m
(A) = E
m
(B)
q.V
A
+
2
0
1
.m.v
2
=
2
1
1
.m.v
2
+ q.V
B
2
1
v
=
2
0
v
+
2.q
m
(V
A
-V
B
) >0 pour {q>0 et V
A
>V
B
} ou {q<0 et V
A
<V
B
}
Le principe fondamental de la dynamique conduit aux équations horaires :
0
q.E
ym
••
=
0
q.E
y
m
=.t + v
0
y =
0
q.E
2m
.t
2
+ v
0
.t
Le mouvement de la particule chargée est alors rectiligne, uniformément accéléré (déviation
électrique nulle).
5- Principales applications
D’après les calculs précédents, l’action d’un champ électrique sur une particule chargée
permet :
- de dévier la particule chargée (oscilloscope cathodique…) ;
- d’accélérer la particule chargée (accélérateur linéaire de particule).
O
0
v
y
x
V
A
> V
B
: accélération des particules q>0
V
B
0
E
F
O
0
v
y
x
V
A
< V
B
: accélération des particules q<0
V
B
0
E
F
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II- Mouvement d’une particule chargée dans un champ magnétique uniforme
1- Présentation du système
Dans tout ce qui suit on envisagera l’étude de la trajectoire d’une particule chargée de
charge q et de masse m dans le champ magnétique uniforme et constant
z0
e.BB
=.
On étudie le mouvement de la particule chargée dans le férentiel du laboratoire supposé
galiléen.
La particule chargée est ainsi soumise :
- à son poids
P m.g
=
 
;
- à la force magnétique de Lorentz
F q.v B
= ∧
En prenant l’exemple d’un proton (q = e = 1,6.10
-19
C, m = 1,67.10
-27
kg) dans un champ
magnétique d’intensité B
0
= 10
-2
T, animé d’une vitesse v = 10
4
m.s
-1
on déduit les ordres
de grandeur :
26
P 1,64.10 N
=
17
F 1,6.10 N
=
2- Etude du mouvement
On se place dans le système de coordonnées cartésien dans le repère (O, ,e
x
,e
y
)e
z
.
A t = 0, la particule chargée est en O avec une vitesse initiale
0
v
.
Mouvement uniforme :
Calculons la puissance de la force de Lorentz exercée sur une particule de charge q, animée
d’une vitesse v
dans un champ magnétique uniforme
0
B
:
P
(
F
) = 0
F.v (q.v B ).v 0 car F v
= ∧ =
 
 
La force de Lorentz ne travaille donc pas et en appliquant le théorème de la puissance
cinétique on en déduit :
c
dE
dt
=
P
(
F
) = 0 L’énergie cinétique de la particule chargée est une constante
v
= norme de la vitesse de la particule chargée est une constante
le mouvement est uniforme.
L’action d’un champ magnétique n’est pas une modification de la norme de la vitesse mais
une déviation de la trajectoire de celle-ci.
On retrouve cette action dans différentes applications telles que :
Le spectromètre de masse, le cyclotron…
Principe fondamental de la dynamique :
On écrit les vecteur vitesse et accélération du point M caractérisant la position de la
charge à un instant par :
v(M )
=
x x
v .e
+
y y
v .e
z z
v .e
+
et
dv( M )
( M )
dt
γ
=
=x
x
dv
.e
dt
+
y
y
dv
.e
dt
z
z
dv
.e
dt
+
Appliquant le principe fondamental de la dynamique à la particule chargée dans le
référentiel du laboratoire supposé galiléen, il vient :
magnétiqueforceladevantpoidslenégligerpeuton:FP <<
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m. (M ) F
γ
= ⇔
 
m. = q.
a) Cas où la vitesse initiale est orthogonale au champ magnétique
On pose la vitesse initiale
0 0 x 0
v v .e B
= ⊥
 
.
On en déduit :
(3)
v
z
= cste = v
z
(0) = 0, ainsi : dz 0
dt
= ⇔
z(t) = cste = z(0) = 0
Le mouvement de la particule chargée s’effectue dans le plan (O, ,ex
)e
y
.
On pose ω
c
=
0
q.B
m
la constante positive appelée pulsation cyclotron.
On pose ε la grandeur telle que :
En dérivant l’équation (2) puis en utilisant l’équation (1), il vient :
2
y
2
d v
dt
= -
ω
c
.
x
dv
dt
= -
ω
c
2
.v
y
La composante de la vitesse sur l’axe des ordonnées est ainsi donnée par une équation
différentielle du second ordre, homogène, linéaire à coefficients constants. La solution
générale de cette équation différentielle s’écrit :
v
y
(t) = a.cos(
ω
c
.t) + b.sin(
ω
c
.t)
Comme à t = 0, on a : v
y
(0) = 0, on peut en déduire : a = 0 :
v
y
(t) = b.sin(
ω
c
.t)
En reprenant l’équation (2) , on déduit l’expression générale de la composante de la vitesse
sur l’axe des abscisses v
x
(t) :
m.
y
dv
dt
= - q.B
0
.v
x
v
x
(t) =
c
1
.
.
ε ω
y
dv
dt
=
c
1
.
.
ε ω
b.
ω
c
.cos(
ω
c
.t) = -
ε.
b.cos(
ω
c
.t)
Comme à t = 0, on a : v
x
(0) = v
0
, on peut en déduire : v
0
=
− ε
b
b =-
ε.
v
0
On a ainsi les composantes de la vitesse :
En intégrant chacune de ces équations, on obtient les équations horaires :
x
dv
dt
y
dv
dt
z
dv
dt
v
x
v
y
v
z
m.
x
dv
dt
= q.B
0
.v
y
(1)
m.
y
dv
dt
= - q.B
0
.v
x
(2)
m.
z
dv
dt
= 0 (3)
0
0
B
0
ε
= +1 si q
>
0
ε
= -1 si q
<
0
v
x
(t) = v
0
.cos(
ω
c
.t)
v
y
(t) =-
ε
.v
0
.sin(
ω
c
.t)
x(t) =
0
c
v
ω
.sin(
ω
c
.t) + a’
y(t) =
ε
.
0
c
v
ω
.cos(
ω
c
.t) + b’
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Comme à t = 0, on a : x(0) = y(0) = 0, on peut en déduire : a’ = 0 et b’ = - ε
0
c
v
ω
.
Finalement :
On peut également écrire l’équation
cartésienne :
x
2
+
2
0
c
v
y .
εω
 
+
 
 
=
2
0
c
v
ω
 
 
 
On reconnaît alors plus facilement une
trajectoire circulaire de centre C (0, ε
c
0
v
ω) et
de rayon R
c
=
0
c
v
ω
=
0
0
m.v
q .B
(voir graphiques ci-
contre).
Dans le cas où la vitesse initiale est orthogonale au champ magnétique
uniforme (
0 0 x 0
v v .e B
= ⊥
 
), le mouvement de la particule chargée est circulaire
dans un plan orthogonal à
0
B
et passant par la position initiale de la particule.
b) Cas où la vitesse initiale n’est pas orthogonale au champ magnétique (hors
programme)
La particule chargée est toujours en O à l’instant initial.
La vitesse initiale admet maintenant une composante suivant l’axe (z’z) du champ
magnétique. On écrit par exemple :
0 0 x 0 z
v v .cos .e v .sin .e
α α
= +
 
α
est l’angle
x 0
(e ,v )
 
. L’axe
des ordonnées, dirigé par le vecteur unitaire
y
e
est choisi pour que la base (O,
x
e ,
y
e ,
z
e )
soit
orthonormée directe.
On déduit de (3):
m.
z
dv
dt
= 0
v
z
= cste = v
z
(0) = v
0
.sin
z(t) = v
0
.sin .t + c.
Comme z(0) = 0, on en déduit :
z(t) = v
0
.sin .t
Le mouvement de la particule chargée n’est plus dans le plan (O, ,e
x
y
e
)
Le reste du calcul est analogue à la partie précédente en remplaçant dans les expressions
de la vitesse et de la position v
0
par v
0
.cos
α
. On peut ainsi écrire :
x(t) =
c
0
v
ω.sin(
ω
c
.t)
y(t) =
ε
.
c
0
v
ω.[cos(
ω
c
.t) –1]
x
y
x00
e.vv
=
q
>
0
q
<
0
C
+
C
-
v
x
(t) = v
0
.cos
α
.cos(
ω
c
.t)
v
y
(t) =-
ε
v
0
.cos
α
.sin(
ω
c
.t)
x(t) =
0
c
v .cos
α
ω
.sin(
c
.t)
y(t) =
ε
.
0
c
v .cos
α
ω
.[cos(
ω
c
.t) –1]
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Le mouvement de la particule chargée peut alors être interprété comme la conjugaison :
- du mouvement de rotation sur la trajectoire circulaire établie à la partie précédente,
centre C (0, ε.
0
c
v .cos
α
ω
) et rayon R
c
=
0
c
v .cos
α
ω
=
0
0
m.v .cos
q .B
α
- d’un mouvement de translation rectiligne uniforme suivant la direction (z’z) du
champ magnétique à la vitesse v
0
.sinα
La trajectoire résultante est une hélice circulaire, à pas constant (voir graphique ci-
dessous).
Remarque : il est possible de déterminer les équations horaires du mouvement de la
particule chargée dans un champ magnétique uniforme en utilisant les nombres complexes.
On pose alors :
ζ
= x + j.y et
χ
= v
x
+j.v
y
=
d
dt
ζ
En combinant les équations (1) et (2), il vient :
(1) + j.(2) :
c
d
j. . .
dt
χ
ε ω χ
= −
L’équation différentielle obtenue peut être résolue pour trouver
χ
puis
ζ
et enfin
x(t)=Re(
ζ
) et y(t) = Im(
ζ
).
Charge positive (q>0) Charge négative (q<0)
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