Qu’est-ce qu’un champ électrique ? Définition, formule, exemple

Lorsqu’on frotte un ballon contre un pull, le ballon se charge. En raison de cette charge, le ballon peut adhérer aux murs, mais lorsqu’il est placé à côté d’un autre ballon qui a également été frotté, le premier ballon s’envolera dans la direction opposée.

Key Takeaways : Champ électrique

• Une charge électrique est une propriété de la matière qui fait que deux objets s’attirent ou se repoussent en fonction de leurs charges (positives ou négatives).
• Un champ électrique est une région de l’espace autour d’une particule ou d’un objet chargé électriquement, dans laquelle une charge électrique ressentirait une force.
• Un champ électrique est une quantité vectorielle et peut être visualisé sous forme de flèches allant vers ou s’éloignant des charges. Les lignes sont définies comme pointant radialement vers l’extérieur, en s’éloignant d’une charge positive, ou radialement vers l’intérieur, en direction d’une charge négative.

Ce phénomène est le résultat d’une propriété de la matière appelée charge électrique. Les charges électriques produisent des champs électriques : des régions de l’espace autour de particules ou d’objets chargés électriquement dans lesquelles d’autres particules ou objets chargés électriquement ressentiraient une force.

Définition de la charge électrique

Une charge électrique, qui peut être positive ou négative, est une propriété de la matière qui fait que deux objets s’attirent ou se repoussent. Si les objets sont chargés de manière opposée (positif-négatif), ils s’attirent ; s’ils sont chargés de manière similaire (positif-positif ou négatif-négatif), ils se repoussent.

L’unité de charge électrique est le coulomb, qui est défini comme la quantité d’électricité qui est transportée par un courant électrique de 1 ampère en 1 seconde.

Les atomes, qui sont les unités de base de la matière, sont constitués de trois types de particules : les électrons, les neutrons et les protons. Les électrons et les protons sont eux-mêmes chargés électriquement et ont respectivement une charge négative et positive. Un neutron n’est pas chargé électriquement.

De nombreux objets sont électriquement neutres et ont une charge nette totale de zéro. S’il y a un excès d’électrons ou de protons, produisant ainsi une charge nette qui n’est pas nulle, les objets sont considérés comme chargés.

Une façon de quantifier la charge électrique est d’utiliser la constante e = 1,602 *10-19 coulombs. Un électron, qui est la plus petite quantité de charge électrique négative, a une charge de -1,602 *10-19 coulombs. Un proton, qui est la plus petite quantité de charge électrique positive, a une charge de +1,602 * 10-19 coulombs. Ainsi, 10 électrons auraient une charge de -10 e, et 10 protons une charge de +10 e.

La loi de Coulomb

Les charges électriques s’attirent ou se repoussent parce qu’elles exercent des forces les unes sur les autres. La force entre deux charges ponctuelles électriques – des charges idéalisées qui sont concentrées en un point dans l’espace – est décrite par la loi de Coulomb. La loi de Coulomb stipule que la force, ou l’ampleur, de la force entre deux charges ponctuelles est proportionnelle à l’ampleur des charges et inversement proportionnelle à la distance entre les deux charges.

Mathématiquement, cela est donné comme :

F = (k|q1q2|)/r2

où q1 est la charge de la première charge ponctuelle, q2 est la charge de la deuxième charge ponctuelle, k = 8,988 * 109 Nm2/C2 est la constante de Coulomb, et r est la distance entre deux charges ponctuelles.

Bien qu’il n’y ait techniquement aucune charge ponctuelle réelle, les électrons, les protons et les autres particules sont si petits qu’on peut s’en approcher par une charge ponctuelle.

Formule du champ électrique

Une charge électrique produit un champ électrique, qui est une région de l’espace autour d’une particule ou d’un objet chargé électriquement dans laquelle une charge électrique ressentirait une force. Le champ électrique existe en tout point de l’espace et peut être observé en amenant une autre charge dans le champ électrique. Cependant, le champ électrique peut être approximé à zéro à des fins pratiques si les charges sont suffisamment éloignées les unes des autres.

Les champs électriques sont une quantité vectorielle et peuvent être visualisés sous forme de flèches allant vers ou s’éloignant des charges. Les lignes sont définies comme pointant radialement vers l’extérieur, en s’éloignant d’une charge positive, ou radialement vers l’intérieur, en direction d’une charge négative.

L’amplitude du champ électrique est donnée par la formule E = F/q, où E est l’intensité du champ électrique, F est la force électrique et q est la charge d’essai qui est utilisée pour « sentir » le champ électrique.

Exemple : Champ électrique de 2 points de charge

Pour des charges de deux points, F est donné par la loi de Coulomb ci-dessus.

• Ainsi, F = (k|q1q2|)/r2, où q2 est défini comme le charge d’essai qui est utilisé pour « sentir » le champ électrique.
• Nous utilisons ensuite la formule du champ électrique pour obtenir E = F/q2, puisque q2 a été défini comme la charge d’essai.
• Après avoir remplacé F, E = (k|q1|)/r2.

Sources

• Fitzpatrick, Richard. « Champs électriques ». Université du Texas à Austin, 2007.
• Lewandowski, Heather, et Chuck Rogers. « Champs électriques ». Université du Colorado à Boulder, 2008.
• Richmond, Michael. « Charge électrique et loi de Coulomb. » Institut de technologie de Rochester.