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Le champ électrique est fondamental pour comprendre l’électricité et les interactions charge-charge et est étroitement lié à des quantités importantes telles que le potentiel électrique.
Tout objet chargé génère un champ électrique. L’amplitude du champ dépend de la quantité de charge sur l’objet et de la distance par rapport à l’objet où le champ est mesuré. Ces champs exercent également une force sur d’autres charges ou matériaux à proximité, provoquant des phénomènes intéressants.
Dans cette vidéo, nous reviendrons d’abord sur les concepts de base liés aux champs électriques, puis nous illustrerons une expérience qui aide à étudier les champs électriques et les forces qui influencent les charges et les matériaux dans un champ. Enfin, nous verrons quelques applications qui utilisent les champs électriques à leur avantage.
Comme mentionné précédemment, un objet chargé produit un champ électrique dans l’espace environnant. En utilisant la loi de Gauss, il peut être démontré que l’intensité du champ électrique est linéairement proportionnelle à la charge de la source 'Q' et inversement proportionnelle au carré de la distance 'r' de la charge de la source ; et 'k' est la constante de Coulomb. Ainsi, le doublement de la charge de la source permet de doubler l’intensité du champ. Alors que le doublement de la distance de mesure réduit l’intensité du champ de quatre fois.
Le champ électrique produit par un objet chargé peut être visualisé à l’aide de lignes fictives appelées « lignes de champ électrique ». Ces lignes sont un ensemble de flèches dessinées pour aider à visualiser à la fois l’amplitude et la direction du champ. En règle générale, les lignes de champ sont dirigées loin d’une charge de source positive et vers une charge de source négative.
Le nombre total de lignes de champ produites par un objet chargé représente la quantité de charge, tandis que la densité des lignes à un endroit particulier dans le champ indique l’amplitude à cet endroit. Par conséquent, les lignes sont étroitement emballées près d’une sphère chargée, tandis qu’elles sont plus dispersées à une plus grande distance de la source.
La direction du champ électrique d’une charge source inconnue est déterminée en plaçant une charge d’essai à proximité de la charge source et en observant si la charge d’essai est attirée vers la charge source ou repoussée loin de celle-ci.
L’intensité de cette force 'F' est donnée par la loi de Coulomb, qui stipule que la force est linéairement proportionnelle à l’intensité du champ électrique et à la quantité de charge sur la charge d’essai. Pour la direction : si la charge d’essai est positive, la direction de la force sur la charge d’essai est la même que celle du champ électrique. Cependant, si la charge d’essai est négative, la direction de la force est opposée à celle du champ électrique de la charge source.
Les champs électriques peuvent également produire une différence de potentiel électrique, ou une chute de tension, le long de la direction du champ. Ce phénomène est discuté en détail dans la vidéo Electric Potential de cette collection. Inversement, il est important de noter que les champs électriques sont également générés par l’application de différentes tensions à deux conducteurs séparés. Dans ce cas, la direction du champ pointe de la tension la plus élevée vers la tension la plus basse.
En plus des objets chargés, les champs électriques affectent également les matériaux neutres en charge, comme le fil de cuivre. Tous les matériaux neutres sont constitués d’une quantité énorme et égale de charges positives et négatives. Les champs électriques exercent donc une force sur chacune de ces charges ; ce qui entraîne un déplacement de grandes collections de charge dans le matériau. Cela peut entraîner une séparation efficace des charges positives et négatives et est connu sous le nom de « polarisation ».
Dans la section suivante, nous verrons comment visualiser les lignes de champ du champ électrique généré par l’application de tensions à deux configurations d’électrodes différentes. Et dans la section suivante, nous verrons l’effet des forces électriques et le phénomène de polarisation à l’aide de papier, de fourrure, d’une tige d’acrylique et d’une canette de soda.
La démonstration se compose d’un générateur électrostatique, tel qu’un générateur portable Static Genecon ou un générateur van der Graff, d’une paire d’électrodes disposées en cercle concentrique, d’une paire d’électrodes disposées parallèlement l’une à l’autre et d’une boîte de Pétri ou d’un réservoir d’observation.
Le réservoir d’observation est rempli d’une huile visqueuse, comme l’huile de ricin, et d’environ un demi-gramme de poudre polarisable, comme des graines de semoule.
Chargez le réservoir d’observation rempli d’émulsion d’huile et de poudre dans son support. Ensuite, montez la plaque avec la configuration d’électrode parallèle sur le support. À l’aide de câbles, connectez les électrodes aux bornes négative et positive du générateur électrostatique.
Tournez la manivelle du générateur d’au moins 5 tours complets, créant ainsi une différence de potentiel entre les deux conducteurs et établissant un champ électrique. Étant donné que la poudre ajoutée est polarisable, les grains de poudre commenceront lentement à s’aligner avec les lignes de champ électrique.
Ensuite, afin de neutraliser les charges, court-circuitez directement les bornes positive et négative en connectant un câble entre les bornes. Après avoir attendu quelques secondes que la charge se dissipe, débranchez le câble de court-circuit des bornes. Ensuite, démontez la plaque d’électrode du support.
Maintenant, montez la plaque avec la configuration d’électrode à cercle concentrique sur le support. Mélangez l’huile et la poudre polarisable dans le réservoir d’observation en roulant soigneusement l’installation.
Allumez le générateur et tournez-le d’au moins 5 tours complets pour créer un champ électrique entre les deux anneaux conducteurs. La poudre entre les anneaux formera des lignes rayonnantes, indiquant que les lignes de champ électrique dans cette région sont similaires aux lignes de champ électrique d’une charge ponctuelle située au centre des anneaux. En revanche, la poudre à l’intérieur du cercle intérieur ne possède aucun alignement discernable, ce qui indique qu’aucun champ électrique appréciable n’existe dans cette région.
Parlons maintenant d’une expérience qui démontre la polarisation et les forces du champ électrique. Les objets couramment utilisés dans cette démonstration sont une canette de soda vide, une tige d’acrylique, un morceau de fourrure assez grand pour s’enrouler autour de la tige et une bande de papier.
Placez la canette de soda vide sur le côté pour qu’elle puisse rouler librement. Enroulez le morceau de fourrure autour de la tige et frottez-le bout à bout au moins 10 fois. En frottant la tige, vous transférez physiquement des électrons de la fourrure à la tige et faites en sorte que la tige soit chargée négativement, ce qui lui permet de générer le champ électrique nécessaire pour induire une polarisation.
Approchez la tige chargée de la canette de soda vide et observez les forces d’attraction sur la canette lorsqu’elle commence à rouler vers la tige. En effet, le champ électrique de la tige induit une polarisation sur la canette de soda. Les charges de signe opposé à celles de la tige sont rapprochées de la tige, tandis que les charges du même signe sont repoussées loin de la tige. Il en résulte que la tige exerce des forces à la fois attractives et répulsives sur la boîte. Étant donné que les charges opposées sont plus proches de la tige, celles-ci subissent une force plus forte, ce qui produit une force d’attraction nette vers la tige.
Ensuite, approchez la tige chargée de la bande de papier et observez la courbure du papier vers la tige. Le comportement attractif est le résultat du même effet de polarisation induite qui a fait rouler la canette de soda vers la tige. Il est intéressant de noter que, bien qu’il pèse beaucoup moins que la canette de soda, le mouvement global du papier est relativement faible. Cela est dû à la nature isolante du papier par rapport à la nature conductrice de la boîte, ce qui conduit à une polarisation beaucoup plus faible.
Les champs électriques sont omniprésents car ils existent partout où il y a des objets chargés ou des différences de tension.
L’électricité, ou courant électrique, est le résultat de champs de force électriques poussant la charge à travers des fils hautement conducteurs. À grande échelle, il s’agit d’acheminer l’électricité des centrales électriques vers les bâtiments résidentiels et commerciaux. À plus petite échelle, le passage du courant électrique à travers un circuit est fondamental pour faire fonctionner tout appareil électronique, tel qu’une LED, une ampoule, un ventilateur ou un ordinateur.
La spectrométrie de masse utilise des champs électriques pour déterminer le contenu chimique d’un échantillon. Dans cet équipement, les molécules ionisées sont d’abord générées par l’application de forces fortes, telles qu’un faisceau d’électrons, un plasma ou des lasers. Ces molécules chargées sont ensuite passées à travers un ensemble de champs électriques alternatifs. Le champ exerce une force électrique sur les molécules, ce qui modifie leur trajectoire, conduisant à une séparation efficace.
Vous venez de regarder l’introduction de JoVE à Electric Fields. Vous devriez maintenant comprendre les principes qui régissent l’amplitude et la direction des champs électriques, comment visualiser les lignes de champ électrique et comment la polarisation peut être induite par un champ électrique. Merci d’avoir regardé !
