Module 3 Électrostatique
Électrostatique Électricité qui ne bouge pas
Expérimentons
Petit rappel Tige d ébonite et fourrure tige devient chargée négativement Tige de verre et plastique tige devient chargée positivement
Charger des objets Il existe 3 façons de charger un objet, soit par frottement, par contact ou par induction.
Charger par frottement Le transfert de charge par frottement se produit en frottant deux objets ensemble. Un des objets gagne des électrons tandis que l autre perd le même nombre d électrons.
Atome neutre nombre de protons = nombre d électrons Atome avec charge positive nombre de protons > nombre d électrons Atome avec charge négative nombre de protons < nombre d électrons
Charger par induction Il est possible de transmettre une charge permanente à un conducteur sans contact avec un objet chargé mais en utilisant une mise à terre sur le corps qu on veut charger.
Mise à terre : Principe au cours duquel, on touche un objet ou on relie l objet par un fil conducteur avec le sol pour permettre au surplus de charge de s en aller dans le sol et faire que l objet devienne neutre. Si un objet est chargé négativement, en effectuant une mise à terre, les électrons quitteront l objet pour s en aller dans le sol. Si un objet est chargé positivement, en effectuant une mise à terre, les électrons du sol entreront dans l objet pour que celui-ci devienne neutre.
Charger par contact Il est possible de charger un objet tout simplement en le touchant avec un objet chargé. (voir figure 9 et 10 p.322)
Charges électriques proton (p + ) +1,6 x 10-19 C neutron (n 0 ) 0 électron (e - ) -1,6 x 10-19 C
Loi des charges électriques Les charges différentes s attirent + - Les charges semblables se repoussent + + - -
Les objets chargés peuvent attirer certains objets neutres Quels exemples pouvez-vous donner?
Loi de la conservation de la charge La charge totale (la différence des charges positives et négatives) d un système isolé est toujours conservée.
Par frottement, il est possible de déplacer des électrons d un atome à l autre avant : A 1000 e - 1000 p + 1000 e - 1000 p + B après : A 900 e - 1000 p + 1100 e - 1000 p + B On a transféré 100 e - de l atome A à l atome B. L atome A devient chargé positivement et l atome B chargé négativement.
Charge électrique q = Ne - q : charge électrique (C) 1 Coulomb = 6,24 x 10 18 e - N : nombre d électrons (+ si les électrons sont transférés - si les électrons sont gagnés) e- : 1,6 x 10-19 C
Exemples 1) Quelle est la charge d un atome ayant un surplus de 100 électrons? 2) Un atome a une charge de +1,6 x 10-19 C. Combien d électrons ont été perdus ou gagnés?
3) Un atome a une charge de -2 x 10 6 C. Combien d électrons ont été perdus ou gagnés? 4) Calcule la charge d une petite sphère à la surface de laquelle il y a un surplus de 5 x 10 14 électrons.
Feuille de travail Charge électrique
Forces électriques Loi de Coulomb : «La force entre deux charges ponctuelles est inversement proportionnelle au carré de la distance entre les charges et directement proportionnelle au produit des charges»
Charge ponctuelle: La charge est distribué uniformément sur l objet. La force est répulsive si les 2 charges sont de mêmes signes. La force est attractive si les 2 charges sont de signes contraires.
Formule F e = kq 1 q 2 d 2 F e : Force électrique (N) k : constante (9 x 10 9 N m 2 /C 2 ) q 1, q 2 : charges (C) d : distance (m)
Exemples 1) Quelle est la grandeur de la force de répulsion entre une charge de 8 μc et une charge de 12 μc séparée par une distance de 10 cm? 2) Quelle est la grandeur de la force de répulsion entre deux petites sphères séparées de 1 m, si chacune a une charge de 1,0 x 10-12 C?
3) Calcule la force électrique qui existe entre le proton de l atome d hydrogène et son électron. La distance séparant le proton et l électron est de 3,7 x 10-7 m.
Devoir Page 330 # 1a, 2a, 3 à 6 Page 335 # 3 Page 362 # 2
Loi de Coulomb vs Loi de la gravitation universelle Similitudes : Les deux sont des lois du carré de la distance et sont aussi proportionnelle au produit d une autre grandeur physique. Pour la force gravitationnelle, c est le produit des masses et pour la force électrique, c est le produit des 2 charges. La force s exerce le long de la ligne qui joint les centres des masses ou des charges. La grandeur de la force est la même que celle que l on mesurait si toutes la masse ou la charge était concentrée en un point au centre de la sphère.
Suite Différences : La force électrique peut attirer ou repousser, tout dépend des charges en cause, alors que la force gravitationnelle ne peut qu attirer. La constante de gravitation universelle G = 6,67 X 10-11 N m 2 /kg 2 est très petite, ce qui signifie que dans bien des cas, on peut ignorer la force gravitationnelle sauf, quand l une des masses est grande. Par contre, la constante de Coulomb K = 9 X 10 9 N m 2 /C 2 est un très grand nombre, ce qui signifie que même des petites charges peuvent produire des forces notables.
Force électrique Force électrique nette : La force électrique nette sur une charge unique est la somme vectorielle de toutes les forces électriques calculées indépendamment qui s exerce sur elle. Comme la force électrique est une quantité vectorielle, il faudra faire l analyse vectorielle des forces lorsqu on aura 3 charges électriques au plus en cause dans un problème.
Exemples 1) Quelle est la force nette agissant sur la sphère C? A B C 4 x 10-6 C -2,5 x 10-7 C 6,4 x 10-6 C 20 cm 10 cm
2) Quelle est la force nette sur la charge de 6μC? -4 μc 50 cm 50 cm 5 μc 6 μc 50 cm
3) Quelle est la force nette sur la charge de 6μC? -6 μc 10 cm 9 μc 10 cm 10 cm 7 μc 10 cm 8 μc
4) Quatre sphères identiques portant une charge d une grandeur de 5μC, sont placées aux coins d un carré de 25 cm de côté. Deux charges diagonalement opposées sont positives et les deux autres sont négatives. Calcule la force nette qui agit sur chacune des quatre sphères?
Devoir Page 334 # 8 et 9 Page 336 # 5 et 7
Champs électriques L intensité du champ électrique (ε) est défini comme la force électrique par unité de charge (mesuré en N/C) ε = F e ou ε = kq q d 2
Exemples 1) Quel est le champ électrique à 0,60 m d une petite sphère portant une charge positive de 1,2 x 10-8 C?
2) Deux charges, l une de 3,2 x 10-9 C, l autre de -6,4 x 10-9 C, sont séparées de 42 cm. Calcule le champ électrique net au point P, à 15 cm de la charge positive, sur la ligne qui relie les deux charges.
Devoir Page 343 # 2 à 5
Le potentiel électrique Le potentiel électrique (V) ou la différence de potentiel électrique correspond au travail nécessaire pour déplacer une charge d un point à un autre.
Formules V = W V = kq ε = V q d d V : potentiel électrique (V) W : travail (J) q : charge (C) d : distance (m) ε : intensité (N/C)
Exemples 1) Calcule le potentiel électrique à une distance de 0,4 m d une charge ponctuelle sphérique de 6,4 x 10-6 C. 2) Quel est le potentiel électrique nécessaire pour déplacer une charge de 5 C sur une distance de 25 cm si une force de 5 N est nécessaire?
3) Quelle quantité de travail doit-on produire pour augmenter le potentiel d une charge de 3 x 10-7 C de 120 V?
4) Dans un champ électrique uniforme, la différence de potentiel entre deux points séparés de 12 cm est de 150 V. Calcule la grandeur de la force du champ électrique.
5) La force du champ électrique entre deux plaques parallèles est de 450 N/C. Les plaques sont raccordées à une pile fournissant une différence de potentiel de 95 V. Quelle est la distance entre les plaques?
Devoir Page 354 # 1 à 4 Page 358 # 1, 7 et 9ab Page 362 # 3 Page 368 # 1 Page 378 # 5, 7a, 12, 13, 14, 18, 19, 23, 24 et 29 (1,0 x10 12 )