5 : Charges et champs électriques
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Dans ce chapitre, nous commençons l'étude de la force électrique, qui agit sur tous les objets dotés d'une propriété appelée charge. La force électrique est beaucoup plus forte que la gravité (dans la plupart des systèmes où les deux apparaissent), mais elle peut être une force d'attraction ou une force de répulsion, ce qui entraîne des effets très différents sur les objets. La force électrique aide à maintenir les atomes ensemble, elle est donc d'une importance fondamentale dans la matière. Mais elle régit également la plupart des interactions quotidiennes auxquelles nous faisons face, des interactions chimiques aux processus biologiques.
- 5.1 : Prélude aux charges et aux champs électriques
- Lorsque nous étudiions les lois de Newton, nous avons identifié plusieurs phénomènes physiques comme des forces. Nous l'avons fait en fonction de l'effet qu'ils ont eu sur un objet physique : plus précisément, ils ont fait accélérer l'objet. Plus tard, lorsque nous avons étudié l'impulsion et l'élan, nous avons élargi cette idée pour identifier une force comme tout phénomène physique qui modifie l'élan d'un objet. Dans les deux cas, le résultat est le même : on reconnaît une force par l'effet qu'elle a sur un objet.
- 5.2 : Charge électrique
- Vous connaissez certainement les appareils électroniques que vous activez d'un simple clic, qu'il s'agisse d'ordinateurs, de téléphones portables ou de téléviseurs. Et vous avez certainement vu de l'électricité dans un éclair lors d'un violent orage. Mais vous avez aussi très probablement subi des effets électriques d'une autre manière, peut-être sans vous rendre compte qu'une force électrique était impliquée. Jetons un coup d'œil à certaines de ces activités et voyons ce que nous pouvons en tirer sur les charges et les forces électriques.
- 5.3 : Conducteurs, isolateurs et charge par induction
- Dans la section précédente, nous avons indiqué que les scientifiques étaient capables de créer une charge électrique uniquement sur des matériaux non métalliques et jamais sur des métaux. Pour comprendre pourquoi c'est le cas, il faut en savoir plus sur la nature et la structure des atomes. Dans cette section, nous expliquons comment et pourquoi les charges électriques se déplacent ou ne se déplacent pas à travers les matériaux. Une description plus complète est donnée dans un chapitre ultérieur.
- 5.4 : Loi de Coulomb
- Des expériences avec des charges électriques ont montré que si deux objets ont chacun une charge électrique, ils exercent une force électrique l'un sur l'autre. L'amplitude de la force est linéairement proportionnelle à la charge nette sur chaque objet et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. (Il est intéressant de noter que la force ne dépend pas de la masse des objets.) La direction du vecteur de force se situe le long de la ligne imaginaire reliant les deux objets et est dictée par les signes des charges.
- 5.5 : Champ électrique
- Le champ électrique, qui est indépendant de la charge d'essai. Cela dépend uniquement de la configuration des charges sources et, une fois trouvé, nous permet de calculer la force sur n'importe quelle charge d'essai.
- 5.6 : Calcul des champs électriques des distributions de charge
- Les distributions de charge que nous avons observées jusqu'à présent étaient discrètes : elles étaient constituées de particules ponctuelles individuelles. Cela contraste avec une distribution de charge continue, qui possède au moins une dimension non nulle. Si une distribution de charge est continue plutôt que discrète, nous pouvons généraliser la définition du champ électrique. Nous divisons simplement la charge en morceaux infinitésimaux et traitons chaque pièce comme une charge ponctuelle.
- 5.7 : Lignes de champ électriques
- Notre modèle est que la charge d'un objet (la charge source) modifie l'espace dans la région qui l'entoure de telle sorte que lorsqu'un autre objet chargé (la charge d'essai) est placé dans cette région de l'espace, cette charge d'essai subit une force électrique. Le concept de lignes de champ électrique et de diagrammes de lignes de champ électrique nous permet de visualiser la façon dont l'espace est modifié, ce qui nous permet de visualiser le champ.
- 5.8 : Dipôles électriques
- Plus tôt, nous avons discuté et calculé le champ électrique d'un dipôle : deux charges égales et opposées qui sont « proches » l'une de l'autre. (Dans ce contexte, « proche » signifie que la distance d entre les deux charges est très, bien inférieure à la distance du point de champ P, l'endroit où vous calculez le champ.) Voyons maintenant ce qui arrive à un dipôle lorsqu'il est placé dans un champ externe.
Vignette : Les huit charges sources appliquent chacune une force sur la charge d'essai unique Q. Chaque force peut être calculée indépendamment des sept autres forces. C'est là l'essence du principe de superposition.