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Étude du champ électrique

Par Yann le 18/12/2017 Ressources > Physique-Chimie > Seconde > Mécanique > Le Champ Électrique

Qu’est ce qu’un champ électrique ?

Il s’agit d’un champ de force vectoriel découlant de l’existence d’une force électrostatique s’exerçant dans un espace donné.

Par conséquent, si un corps portant une charge électrique est situé dans un espace où existe un champ électrique alors il est soumis à une force électrostatique.

Comment véhicule t-on l'électricité ? Les lignes à haute tension véhiculent l’électricité

Le champ électrique se nomme : \vec{E}

Il s’exprime en Volt par mètre (V.m-1) ou en newton par coulomb (N.C-1), ces unités sont équivalentes.

Caractéristiques d’un champ électrique

Si en un point de l’espace une charge électrique ponctuelle q (de la dimension d’un point) est soumise à une force électrostatique \vec{E} alors on peut déterminer les caractéristiques du champ électrique en ce point :

  • Il a la même direction que la force.
  • Il a le même sens que la force si q est positive, il a un sens opposé si q est négative.
  • Sa valeur est : \vec{E}= \frac{\vec{F}}{q}

Où :

  • E est en newton par coulomb ( N.C-1)
  • F est en newton ( N)
  • q est en coulomb ( C )

Champ électrique et force électrostatique

Le champ électrique et la force électrostatique sont liés et si l’on connaît le champ qui règne en un point de l’espace alors il est possible de déterminer la valeur de la force exercée sur une charge q :

\vec{F}=q\times \vec{E}

Application expérimentale

Créons un pendule électrostatique. Pour cela nous attachons à une cordelette une petite boule isolante, le tout fixé à un support afin que la boule puisse se diriger vers n’importe quelle direction si elle est soumise à une force.

Si nous approchons une règle en plastique préalablement frotté à un chiffon en laine, la boule va s’approcher ou même se coller au morceau de plastique.

La règle chargé électronégativement crée un champ électrique autour d’elle mais ne peut être observé qu’à l’aide d’une charge ponctuelle témoin, ici la boule.

Champ électrique uniforme

Un champ électrique est dit uniforme dans une zone de l’espace où il est constant en direction, en sens et en valeur : les lignes de champs sont alors toutes parallèles.

Application expérimentale

Réalisons un condensateur plan. Pour cela nous prenons 2 plaques en métal que nous disposons parallèlement.

Appelons ces 2 plaques P et N et écartons les d’une distance bien inférieure à la longueur des plaques.

Nous branchons un générateur électrique entre ces 2 armatures métalliques pour obtenir une tension continue UPN = U

Il se crée des lignes de champ toutes parallèles entre les 2 plaques invisibles à l’œil nu mais que l’on peut visualiser en réalisant un spectre électrique. Plusieurs méthodes existent pour visualiser le phénomène. L’une des plus facile à mettre en œuvre est de plonger notre condensateur plan dans un bain d’huile alimentaire.

En disposant des graines de semoules à la surface, ces graines vont se déplacer pour faire apparaître ces lignes de champ parallèle.

Ainsi, entre les plaques d’un condensateur plan, on peut dire que le champ électrique est uniforme. Les lignes de champ sont parallèles et sont perpendiculaires aux armatures. Ainsi, la valeur du champ électrique dans le cas d’un condensateur plan à air est donné par :

  • E = U/d
  • d représente la distance entre les armatures qui est donnée en mètres

Comment étudier le champ électrique ? Un condensateur à plaques parallèles

Application numérique

Soit une particule de charge q = 1.6.10-19 C passe entre deux plaques métalliques qui peut être considéré comme un condensateur plan. Les plaques sont soumises à une tension de 100 V et sont distantes de 5 cm. Calculons la valeur du champ électrique qui règne entre les deux plaques :

  • On sait que E = U/d
  • donc E = 100/0.05 = 2000 V/m

Si on cherche maintenant à calculer l’intensité de la force que subit la particule, il nous faut appliquer cette relation :

  • F = q.E
  • F = 1.6.10-19 x 2000 = 3.2 10-16 N

On peut préciser que comme la charge de la particule est positive, elle subit une force dirigée dans le même sens du champ électrique.

Champ électrique crée par une charge ponctuelle

D’après la loi de Coulomb, une charge qA située en un point A exerce sur une charge qB située en un point B la force F suivante :

F=k\times \frac{\left | qA\times qB \right |}{AB^{2}}

Le Champ électrique créé par la charge qA est donné par la relation :

E=\frac{F}{\left | qB \right |}

En utilisant l’expression de F donnée par la loi de Coulomb on obtient alors :

E=k\times \frac{\left | qA \right |}{AB^{2}}

Comparatif avec le champ gravitationnel

Comme le champ gravitationnel, le champ électrique à une force qui a une valeur proportionnelle à la grandeur qui le créer. Ainsi les charges q dans le champ électrique et les masses m dans le champ gravitationnel sont inversement proportionnels au carré de la distance.

Le forces de gravitation sont toujours attractives, alors que les forces électriques peuvent être attractives ou répulsives.

Les forces de gravitation ont une portée très grande : elles peuvent agir sur des grandes distances à l’échelle de l’Univers. Les forces électriques quant à elles, apparaissent localement et sont plus importantes que les forces gravitationnelles quand on étude les forces à l’échelle microscopique.

Champ électrique et foudre

Explication du phénomène de la foudre

La foudre est un phénomène naturel qui passionne depuis toujours.

La foudre frappe régulièrement notre planète. En moyenne, elle frappe presque cent fois par seconde dans le monde. Mais quel est le phénomène physique qui se cache derrière la foudre ?

Quand l’orage approche, on peut constater que des nuages particuliers se forment. Ils sont en général très sombres et de type cumulo-nimbus.

Ceux-ci sont constitués de gouttes d’eau dans leur partie inférieure et de particules de glaces dans leurs parties supérieures. La partie haute de ces nuages est chargée positivement alors que la partie inférieure est chargée négativement.

On rappelle que le sol est quant à lui chargé positivement. Ce qui fait que quand les nuages arrivent, il se produit une sorte de « sandwich » de charges.

Dans le cas le plus fréquent, le coup de foudre est un coup de foudre descendant négatif. Quand le champ électrique de la base du nuage est suffisamment important, l’air s’ionise. Une précharge se forme alors du nuage vers le sol appelé traceur.

Ce traceur comprend de nombreuses ramifications et transporte des charges négatives. Il naît un autre traceur qui part du sol transportant des charges positives et appelé traceur ascendant. Quand les traceurs se rencontrent, les charges se neutralisent.

Le trait lumineux caractéristique de la foudre apparaît et la chaleur produite par le phénomène provoque une dilatation de l’air qui est à l’origine du bruit du tonnerre.

Il existe également dans de  rares cas des coups de foudre ascendants dans des endroits ou se trouvent des points très élevés. Le premier traceur part du sol et est chargé positivement et atteint le nuage d’orage. Ce type de coup de foudre est beaucoup plus puissant que le coup de foudre descendant.

Nombre d'éclairs par seconde dans le mondeUne centaine
Nombre d'éclairs dans une année dans le monde32 millions
Risque d'être frappé par la foudre1/1million
Nombre d'éclair frappant le sol1/4
Nombre de volts par éclair100 millions de volts

Et le paratonnerre comment ça marche ?

Les paratonnerres sont des dispositifs qui permettent d’éviter la foudre.

Le paratonnerre a été inventé par Benjamin Franklin en 1752. Le paratonnerre est tout simplement une tige en métal placée en hauteur et qui est reliée à la terre. Les charges négatives étant attirées par les charges positives, la tige en métal fournit le chemin le plus court pour leur rencontre.

C’est d’ailleurs pour cela qu’il ne faut pas s’abriter sous les arbres.

Quelle est la différence entre un paratonnerre et un parafoudre?

Si les deux noms sont très proches les dispositifs sont différents ainsi que leurs rôles. Le paratonnerre, en effet, protège de la foudre directement mais ne protège pas les installations électriques.

Or, si la foudre s’abat sur une ligne électrique, elle peut causer une surtension qui peut endommager sérieusement les appareils électriques.

Le parafoudre protège donc les installations électriques, on l’appelle aussi parasurtenseur. Il s’agit donc d’un composant électrique qui peut dévier la surtension.

En France l’utilisation d’un parafoudre est obligatoire dans les bâtiments situés à moins de 50 mètres d’un clocher, d’un paratonnerre par exemple.

L’utilisation d’un parafoudre est également obligatoire quand les bâtiments se trouvent dans des zones qui sont régulièrement exposées à la foudre  (notamment dans le sud de la France ou dans les DOM TOM) ou des bâtiments qui sont très coûteux ou qui sont très importants.

Et la cage de Faraday ?

Quel est le mécanisme de la foudre? La foudre

La cage de Faraday porte le nom du scientifique Michael Faraday qui étudiait notamment l’électromagnétisme et l’électrochimie. La cage de Faraday est une structure permettant de se protéger des champs électriques. A l’intérieur d’une cage de Faraday le champ électrique est nul. En effet, le champ électrique ne peut pas traverser une cage en métal, ainsi la voiture est un lieu sur en cas d’orage.

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