D.2 · Champs électriques et magnétiques

Cette fiche couvre des sujets HL sélectionnés pour le cours évalué pour la première fois en 2025 ; elle ne représente pas l'intégralité du programme.

Prérequis : lire les quantités et unités indiquées, puis utiliser l'arithmétique et les conditions du modèle ci-dessous.

Les exemples sont originaux et fictifs : ils ne correspondent ni à de vraies mesures ni à de véritables enquêtes d'étudiants.

Qu'est-ce qui expliquerait cette observation ?

• Une particule chargée négativement subit une force électrique opposée à la direction du champ. La direction du champ est définie à l'aide d'une charge d'épreuve positive.

Construire le modèle

• L'intensité du champ électrique est la force par unité de charge positive test.
• Les charges identiques se repoussent et les charges opposées s'attirent.
• Les lignes de champ pointent vers l'extérieur depuis les charges positives et vers l'intérieur des charges négatives.
• Des lignes rapprochées représentent un champ plus intense dans un diagramme tracé de manière cohérente.
• intensité du champ électrique : Force électrique par unité de charge positive d'épreuve.
• charge d'épreuve : Petite charge utilisée pour sonder un champ électrique.

Choisir des preuves capables de le tester

• Dans un champ uniforme entre des plaques parallèles idéales, E = V/d, hors effets de bord.
• La force est F = qE ; sa direction s'inverse donc pour une charge négative.
• La force de Coulomb entre des charges ponctuelles idéales diminue avec le carré de la distance.

En laboratoire : Esquissez les polarités étiquetées des plaques, les flèches de champ et la charge avant de calculer. Convertissez la séparation en mètres. En classe, utilisez des simulations ou des modèles électrostatiques à basse tension approuvés plutôt que du matériel haute tension exposé.

Travailler à partir de quantités connues

• Connues : la différence de potentiel entre les plaques est de 120 V et l'écartement est de 0.020 m.
• E = V/d = 6,000 V/m.
• Une charge +2.0 microcoulomb subit F = qE = 0.012 N dans le sens du champ ; une charge −2.0 microcoulomb subit la même grandeur mais dans le sens opposé.

À vous : Utilisez E = V/d. Calculez E pour 100 V sur 0.025 m.

Vérifier la conclusion et ses limites

• L'intensité du champ est un vecteur.
• La différence de potentiel est une énergie par unité de charge et n'est pas la même grandeur.
• Un dessin de lignes de champ est un modèle, pas un ensemble de fils physiques.

Faux : Chaque particule chargée ne subit pas nécessairement une force dans le sens du champ électrique. La direction du champ est définie par la force sur une charge POSITIVE. Une particule négative subit une force opposée au champ, donc la direction du champ ne correspond pas à la direction de la force ressentie par chaque particule.

Clé :

• L'intensité du champ électrique est la force par unité de charge positive d'épreuve.
• Dans un champ uniforme entre des plaques parallèles idéales, E = V/d, hors effets de bord.
• Attention : l'intensité du champ est un vecteur.

Écrire à partir d'un champ de 5000 volts par mètre

• Une différence de potentiel de 80 V est appliquée sur une distance de 0.016 m.
• Trouvez l'intensité du champ électrique. Une charge négative subit une force opposée.

Écrire à partir d'un gain d'énergie de 3.2 fois dix à la puissance moins 17 joules

• Un proton (charge 1.6 × 10⁻¹⁹ C) s'accélère à travers 200 V.
• Énergie = qV = 3.2 × 10⁻¹⁷ J = 200 eV — le volt est une énergie par unité de charge, donc une différence de potentiel de 200 V donne exactement 200 eV à un proton.

Écrire à partir d'un chemin sans travail

• Une charge se déplace le long d'une surface équipotentielle.
• ΔV = 0, donc la variation d'énergie qΔV = 0 — le champ ne fournit aucun travail ; un mouvement perpendiculaire aux lignes de champ ne change rien.

Écrire à partir d'une paire de forces dans un même champ

• Entre des plaques avec E = 6,000 V par mètre, des charges de +2.0 et −2.0 microcoulombs sont placées successivement.
• Chacune subit une force de 0.012 N — même grandeur, directions opposées : le champ agit sur la charge, jamais pour elle.

Écrire à partir d'un champ entre deux plaques

• Deux plaques parallèles séparées de 0.040 m portent une différence de potentiel de 160 V.
• E = V ÷ d = 4,000 V par mètre, uniforme entre les plaques — le champ que ressent toute charge dans l'espace interplaque.