Électrostatique PDF

1. Électrostatique I.1. Charges électriques Jusqu'ici, la trajectoire des objets était l'objet d'étude principal, et la masse le paramètre-clé. La charge électrique est un autre paramètre décrivant un corps, relatif à un tout autre domaine : l'électromagnétisme. Mise en évidence ?...

1. Électrostatique I.1. Charges électriques Jusqu'ici, la trajectoire des objets était l'objet d'étude principal, et la masse le paramètre-clé. La charge électrique est un autre paramètre décrivant un corps, relatif à un tout autre domaine : l'électromagnétisme. Mise en évidence ? Expériences possibles Des bâtons de plastique et de verre sont suspendus et frictionnés avec un tissu de laine. Attraction entre la laine et les bâtons Laine Laine Verre Ebonite (plastique) 1) Lorsqu’on approche un bâton d’ébonite frotté avec une fourrure, le bâton d ’ébonite est repoussé et la tige de verre (frottée elle aussi) est attirée. 2) Lorsqu’on approche une autre tige de verre frottée elle aussi avec un tissu de laine, le bâton d’ébonite est attiré et la tige de verre est repoussée. Des corps (par frottement ici) peuvent s'attirer ou se repousser. Il existe deux types de charges électriques : on parlera de charges positives et négatives. Convention : dans notre expérience, le verre acquiert une charge +, le plastique une charge –. Deux corps portant des charges de même signe se repoussent. Deux corps portant des charges de signe opposé s'attirent. = apparition d'une charge électrique sur cet objet.  I.2. Interprétation microscopique Pour comprendre l’origine des phénomènes électriques, tournons-nous vers la structure microscopique de la matière Noyau atomique + : 10-10 m protons neutrons 10-15 m Nuage électronique négatif : électrons Dans la matière qui nous entoure, les protons, les neutrons et les électrons sont généralement organisés en : atomes (neutres électriquement), molécules, assemblage d'atomes, ions (chargés électriquement) : solutions et plasmas. Charge élémentaire : = 1,602. 10–19 C (Coulomb) Charge de l'électron : = – Charge du proton : = La plus petite charge possible ! Charge du neutron : = 0 Toute charge électrique est un multiple entier de la charge élémentaire. La charge totale d'un système est la somme des charges qui le composent. Des charges de signe opposé s'attirent, des charges de même signe se repoussent. Il existe des matériaux dit « conducteurs » (le cuivre et autres métaux par exemple), dans lesquels certains électrons sont libres de se déplacer. Leur déplacement crée un déplacement de charge, ce qui, nous le verrons plus tard, est associé à un courant électrique. Lorsqu’un objet en métal est électrisé, les charges excédentaires se disposent sur sa surface : répulsion + charges libres. Pour décrire un conducteur électrisé, on pourra parler de charge par unité de surface. Soit une charge répartie sur une surface , alors la densité de charge vaut Dans les matériaux dit « isolants » (bois, plastique), les électrons libres sont absents. Ces matériaux ne favorisent pas l’apparition d’un courant électrique. Dans un isolant électrisé, la charge se distribue dans le matériau. Certains matériaux sont intermédiaires entre les isolants et les conducteurs : on parle de semi-conducteurs. Les semi-conducteurs (silicium, germanium,…) sont à la base de toute l’électronique moderne, ainsi que des panneaux solaires.  I.3. Retour à l'électrisation On distingue trois types d’électrisation : par frottements, par influence (à distance), par contact. Un morceau de caoutchouc frotté par un tissu constitue une électrisation par frottement. Des électrons sont transférés de la laine sur le caoutchouc Pour décrire l’électrisation par influence, imaginons l’expérience suivante : on approche une tige chargée positivement d'une sphère métallique neutre. ±±±± +++++ ± ± ± ± ± ± ± ± - + +++++ ± ± ± ± ± ± ± --- +++ --- +++ ±±±± ---- +++ Tige chargée + - + (déficit d’électrons) Sphère neutre Des charges –, attirées par les charges + de la tige, se concentrent près de la tige, laissant des charges + du côté opposé. L’électrisation par contact peut s'envisager par un pendule électrostatique, constitué d'une boule légère recouverte d'une feuille métallique. 1) On approche une baguette électrisée du pendule. Le pendule est attiré par la baguette : électrisation par influence. + - + 2) On touche le pendule avec la baguette ; la sphère est alors repoussée. En effet, la baguette transfère des charges à la sphère, neutre au départ. Par conséquent la baguette et la sphère sont chargées identiquement et se repoussent. NB : « transférer une charge + » = + + « recevoir un électron » Fondamentalement, l’électrisation consiste donc en un : le corps qui possède un est chargé négativement. le corps qui possède un est chargé positivement. Lorsqu’on frotte une tige de plastique avec un morceau de laine, des électrons sont arrachés de la surface de la laine et passent sur le plastique. Le plastique, électriquement neutre avant l’expérience, présente alors un excès d’électrons : sa charge électrique devient négative : on parle d’.  Nuage électrisé : convection, frottements 4 étapes: 1)séparation de charge ds un nuage 2)électrisation du sol par influence 3)rien ne se passe 4) l'air s'ionise et la foudre trouve un chemin pour passer Sol électrisé par influence Éclair : décharge électrique (voir plus loin) Vidéo FR 8 min (4/5). Deux gouttes de culture, Tout savoir sur les orages.  2) Le laser crée des charges – là où apparaîtra l'image Toner, charge + 1) Tambour électrisé positivement 6) Une lampe 3) L’encre, sous Tambour décharge le tambour forme d'ions +, se tournant fixe là où le 5) Chauffage du papier tambour est – pour fixer l'encre 4) Le papier est fortement électrisé négativement et « absorbe » les molécules d'encre En principe, toute installation électrique est reliée à la terre / à la masse. La terre : sol ou tout objet suffisamment massif et dissocié du circuit électrique. La terre peut être vue comme une « réserve d'électrons ». Si, pour une raison quelconque, une électrisation se produit dans un circuit électrique (danger potentiel), la terre peut absorber l'excès de charge. I.4. Electroscope Dispositif mettant en évidence l’électrisation d’un objet. Il se compose de trois éléments connectés. Plateau métallique Tige métallique Feuillets métalliques  à mesure que l’on approche la tige +, les charges – se groupent sur le plateau et les charges + sont repoussées dans les feuillets. Ceux-ci, alors chargés positivement, se repoussent. Pour rappel : Deux corps portant des charges électriques de même signe se repoussent. Deux corps portant des charges électriques de signes contraires s’attirent. L’interaction est une interaction attractive ou répulsive s’exerçant entre des objets possédant une charge électrique. La loi de Coulomb formule mathématiquement cette constatation.  deux charges de même signe 1 2 >0 1 2 deux charges de signe opposé 1 2 0 (charge-test) placée à une distance d’une charge statique > 0. Approchons la charge-test à une distance. positive positive Dans l’exemple considéré, il faut vaincre la force répulsive entre et , c’est-à-dire. Un travail pouvant être relié à une différence d’énergie potentielle, on devrait pouvoir écrire que le travail fourni vaut , étant une Pour un système de deux charges ponctuelles : On peut se servir de comme de n’importe quelle énergie potentielle : si est l’énergie cinétique de la charge-test, On définit alors le généré par la charge statique comme : énergie potentielle électrique par unité de charge en joule par coulomb appelé volt, elle est appelé : tension est une grandeur scalaire s'exprimant en (V). 1V= En électricité, est également appelé t. On parlera de plutôt que de potentiel car, tout comme en mécanique, seules les différences de potentiel ont un sens physique. La tension est une grandeur plus aisée à manipuler que le champ électrique, qui est un vecteur. Utilité du concept de tension ? Tout système évolue spontanément pour minimiser son énergie. Ici, il s’agit de perdre de l’énergie électrique. Une charge ira spontanément de vers si Or, Évolution spontanée : si > 0, alors Δ < 0 ; si < 0, alors Δ > 0. Une charge + se déplace spontanément vers les potentiels décroissants, une charge – vers les potentiels croissants. Dans un système donné, les surfaces équipotentielles sont les lieux géométriques où le potentiel électrique possède une valeur constante donnée. 3 Pour une charge isolée : 2 1 Q(+) Même potentiel sur un cercle (sphère) de même rayon. Soient deux plaques chargées séparées par un gaz : + - Champ électrique constant Différence de potentiel constante entre les plaques : proportionnelle à. Dispositif très courant : , nuage + sol pendant l'orage, cellules nerveuses, électrodes, etc. Au-delà d’une certaine tension, l’énergie potentielle électrique est telle qu’elle est suffisante pour ioniser les atomes de gaz Particules chargées entre les plaques. Les ions, chargés, vont brusquement se diriger vers les plaques, créant une décharge électrique. Production de rayons X, foudre,… Nouvelle unité de mesure d’énergie, énergie cinétique gagnée par un électron accéléré depuis le repos par une différence de potentiel d’un volt. ou Ep = q x U énergie potentiel par un electron dont la charge vaut 1,6x10^-19 x 1 volt ce qui est égale à 1,6x10^-19 Joules Unité hors SI. Unité très faible. Les multiples sont donc très souvent utilisés : keV, MeV, GeV, TeV,… Exemple : pour une différence de potentiel (ddp) de 20 000 V, les électrons gagnent une énergie cinétique EstI.10. appeléGénérateurs tout dispositif capable de générer une différence de potentiel électrique / une tension. Le mécanisme de cette génération peut être mécanique, chimique, thermique,… Dans un schéma électrique, un générateur est symbolisé par : Borne + : potentiel plus élevé Borne – : potentiel moins élevé Seule la différence de potentiel entre les bornes est mesurable. La différence de potentiel entre les bornes d’un générateur, V.9. soit Générateurs la tension, se mesure grâce à un. U Branchement en parallèle : création d'une « bifurcation » dans le circuit. Intuitivement, une haute tension dénotera donc une grande capacité à mettre des charges en mouvement.  Une pile de 1,5 V génère une différence de potentiel de 1,5 V. Le potentiel est plus élevé au pôle positif. Déplacement des électrons vers les potentiels croissants Courant électrique. Hausse de Énergie d’un électron : potentiel