Article sur le champ électrique
Concernant la charge électrique, on a appris que les charges de même signe se repoussent, tandis que les charges de signes opposés s'attirent. Si l'on approche un objet chargé positivement d'un objet chargé négativement, les deux objets s'attirent et se rapprochent. Inversement, si l'on approche un objet chargé positivement d'un autre objet chargé positivement, les deux objets se repoussent et s'éloignent. Selon la loi de Coulomb, des objets chargés électriquement peuvent accélérer d'autres objets chargés électriquement grâce à la force électrique qui s'exerce entre eux. La force électrique exercée par un objet chargé électriquement sur un autre est un exemple de force agissant à distance. La force de gravité est un autre exemple de force agissant à distance . Elle est exercée par un objet massif sur un autre objet massif.
La force de frottement , la force de poussée et la force normale sont des exemples de forces faciles à comprendre car elles agissent lors d'un contact. À l'inverse, la force électrique est plus difficile à appréhender car elle peut agir à distance, sans contact. Pour comprendre cette force électrique à distance, on introduit le concept de champ électrique. Ce concept a été développé par le scientifique britannique Michael Faraday (1791-1867).
Définition du champ électrique (E)
Supposons qu'un verre soit initialement électriquement neutre. Après avoir été frotté avec un chiffon, le verre se charge électriquement. Lorsqu'il se charge, un champ électrique apparaît simultanément autour de lui. Si le verre redevient neutre, le champ électrique disparaît. Ainsi, l'existence d'un champ électrique est indissociable de la présence d'une charge électrique. Le champ électrique n'est ni une substance comme l'air, ni un type d'onde comme les ondes électromagnétiques. Il est induit par une charge électrique et affecte l'espace environnant ; les autres charges électriques ne subissent que l'influence de ce champ.
Pour déterminer si un champ électrique E est présent dans une pièce, on suppose qu'une charge test s'y trouve. Cette charge test est une charge minimale (Q) de sorte que le champ électrique qu'elle produit est infime et donc négligeable. Cependant, la charge test peut être influencée par le champ électrique généré par d'autres charges électriques. La charge test est introduite uniquement pour vérifier la présence d'un champ électrique E. Si un champ électrique E est présent dans l'espace,
La charge d'essai doit subir la force électrique, alors que s'il n'y a pas de champ électrique (E), la charge d'essai ne subit pas la force électrique.
Regardez la figure sur le côté.
Sur la figure 1, les charges +q₁ et +q₂ génèrent un champ électrique E dans l'espace environnant. Lorsqu'une charge test +q₀ est placée en un point de cet espace, elle subit une force électrique. F₁ représente la force électrique exercée par la charge +q₁ sur la charge test +q₀ , et F₂ celle exercée par la charge +q₂ sur cette même charge. Sur la figure 2, lorsque la charge test est retirée, le champ électrique E persiste en ce point. E₁ est le champ électrique généré par la charge +q₁ , et E₂ celui généré par la charge + q₂.
L'intensité du champ électrique
Le champ électrique E est une grandeur vectorielle, caractérisée par une intensité et une direction. Son intensité est généralement appelée magnitude du champ électrique. La magnitude du champ électrique en un point est définie comme la force électrique exercée par une charge électrique sur une charge test positive placée en ce point, divisée par la valeur de la charge test.
E = intensité du champ électrique
F = force électrique
q = charge d'essai
L'unité de la force électrique est le newton, et l'unité de la charge électrique est le coulomb, de sorte que l'unité de E est le newton par coulomb, abrégée en N/C.
La direction du champ électrique
Dans la figure 1a, une charge électrique positive (+Q) exerce une force électrique sur la charge de test positive (+q), où la direction de la force électrique (F) est éloignée de la charge de +Q.
Dans la figure 1b, lorsque la charge d'essai est retirée, il existe à ce point un champ électrique (E) dont la direction s'éloigne de la charge électrique Q.
Dans la figure 2a, une charge électrique négative (-Q) exerce la force électrique sur une charge d'essai positive (+q), où la direction de la force électrique (F) se rapproche de la charge -Q.
Dans la figure 2b, lorsque la charge d'essai est retirée, il existe à ce point un champ électrique (E) dont la direction est proche de la charge électrique -Q.
D’après la figure et l’explication ci-dessus, on peut conclure que la direction du champ électrique s’éloigne de la charge électrique positive et se rapproche de la charge électrique négative.
Lignes de champ électrique
Le champ électrique (E) est généré par une charge électrique et affecte l'espace environnant. Seules les autres charges électriques ressentent l'influence de ce champ. Lorsqu'une autre charge électrique se trouve dans le champ électrique généré par une première charge, elle perçoit alors l'influence de cette force électrique.
Comprendre le champ électrique décrit dans l'article sur le champ électrique E peut se faire mentalement, mais ne peut être que visualisé. Pour visualiser ce champ, on utilise les lignes de champ électrique. Ces lignes, tracées autour d'une charge électrique, indiquent l'existence d'un champ électrique. Puisqu'elles servent à représenter la présence du champ E, il existe un lien entre ces lignes et ce champ. Autrement dit, l'intensité et la direction du champ E peuvent être expliquées en traçant les lignes de champ électrique.
Voici la relation entre la direction et l'intensité du champ électrique et les lignes de champ électrique :
Premièrement, le champ électrique s'éloigne de la charge positive et se rapproche de la charge négative. Par conséquent, les lignes de champ électrique s'éloignent également de la charge positive et se rapprochent de la charge négative.
Si une charge positive est adjacente à une charge négative, les lignes de champ électrique vont de la charge positive vers la charge négative. Inversement, si deux charges positives sont adjacentes, les lignes de champ électrique partent de chaque charge positive et s'éloignent l'une de l'autre.
Deuxièmement, l'intensité du champ électrique est représentée par la distance entre les lignes de champ. Plus ces lignes sont proches, plus le champ électrique est intense ; inversement, plus elles sont éloignées, plus le champ électrique est faible.
Pourquoi, plus la distance entre les lignes de champ est faible, plus l'intensité du champ électrique est élevée ? Pour le comprendre, voici une explication. Imaginons une charge positive au centre d'une sphère et des lignes de champ électrique qui se propagent dans différentes directions à sa surface. Si le nombre de lignes de champ est N et la surface de la sphère est de 4πr² , alors la densité de lignes (nombre de lignes par unité de surface) est de N / 4πr² . D'après cette formule, pour une même valeur de N, si r diminue, la distance entre les lignes diminue, et si r augmente, cette distance augmente.
La formule de l'intensité du champ électrique E = kq / r² montre également que cette intensité est inversement proportionnelle au carré de la distance. Plus r est petit, plus le champ électrique est intense ; inversement, plus r est grand, plus le champ électrique est faible.
D'après l'analyse précédente, on peut conclure que si r diminue (se rapproche de la charge), l'intensité du champ électrique augmente et la distance entre les lignes diminue également. Inversement, si r augmente (s'éloigne de la charge), l'intensité du champ électrique diminue et la distance entre les lignes augmente.
Troisièmement, le nombre de lignes de champ électrique est proportionnel à l'intensité du champ électrique. Plus le nombre de lignes de champ électrique est élevé, plus l'intensité du champ électrique est forte. Inversement, moins il y a de lignes de champ électrique, plus l'intensité du champ électrique est faible.
