Électricité et magnétisme
Résumé
Parfois les particules chargées sont "immobiles" et de ces dernières émane un champ électrique statique (électrostatique) \(\smash{\vec E = \vec E (x, y, z)}\) qui est puissant près des charges et faible loin de celles-ci. Parfois, les particules chargées se déplacent, dans quel cas elles participent collectivement à un courant électrique \(\smash{I}\). Un courant constant produit un champ magnétostatique \(\smash{\vec B = \vec B (x, y, z)}\), mais s'il varie, \(\smash{I = I(t)}\), c'est non seulement une champ magnétique variable \(\smash{\vec B = \vec B (x, y, z, t)}\) qui en résulte, mais également un champ électrique variable \(\smash{\vec E = \vec E (x, y, z, t)}\). Les variations de \(\smash{\vec E}\) et de \(\smash{\vec B}\) sont étroitement liées par les équations de Maxwell de sorte que, au delà des régimes életro ou magnéto statiques, il convient plutôt de parler du champ électromagnétique et non plus des champs électrique et magnétique individuels. On peut alors considérer que tout l'espace est rempli d'un champ électromagnétique dont les perturbations se propagent sous la forme d'ondes éléctromagnétiques, capables de voyager dans le vide et dont la lumière, les ondes radios, les microondes, les rayons X, ..., en sont toutes différentes manifestations.
Électricité
Induction électrique
Les charges se repoussent ou s'attirent, et ce, même si elles appartiennent à des corps différents. Par conséquent, un corps chargé mis à proximité d'un autre corps cause une redistribution des charges dans le deuxième corps, pourvues que ces dernières soit mobile. On Ce phénomène s'appele l'induction électrique car des charges électriques induisent (sans contact entre les corps) le déplacement/réarrangement de charges dans un autre corps. Dans les métaux, les charges libres sont les électrons de valence, c'est-à-dire les électrons qui ne sont attachés à aucun des noyaux atomiques en particulier.
Trois conducteurs chargés s'induisent mutuellement un réarrangement des charges libres en excès
Cliquez et déplacez les corps sphériques pour observer les mouvements de charges.
Lignes de champ électrique
Charges ponctuelles, linéiques et surfaciques
Considérons des distributions de charges composées uniquement de charges positives ou uniquement de charges négatives. Les lignes de champ émanent de la région chargée positivement et se propagent vers l'infini ou les lignes viennent de l'infini et convergent sur la région chargés négativement
Charge ponctuelle
Puisque, comme l'indique la loi de Coulomb, le champ électrique autour d'une
Lorsque deux ou plusieurs charges positives sont présentes, les lignes de champ s'étendent le plus loin possible de leur charge d'origine, mais sont éventuellement déviée afin d'éviter d'entrer en intersection avec des lignes provenant d'une autre charge
Charges opposées d'égales grandeurs
Considérons des distributions de charges électriques globalement neutre mais dont une partie est négative et l'autre positive. Les deux parties portent une charge d'égale grandeur mais de signes opposés. Le nombre de lignes de champ émanant de la partie positive est égale au nombre de lignes convergent dans la partie négative. Par conséquent, aucune ligne de champ n'émane de la distribution. Si on referme une surface autour de la distribution, toute ligne qui sort de cette surface revient éventuellement à l'intérieur. Autrement dit, chaque ligne de champ forme une boucle qui relie la région positive à la région négative.
Deux charges ponctuelles opposées
Les charges ponctuelles sont d'égales grandeurs mais de signes contraires (2 nC et -2 nC, par exemple).
Les lignes de champ sortent de la charge positive dans toutes les directions mais se recourbent vers la charge négative qui les capture toutes. Puisque les lignes de champ sont capturées, l'intensité du champ électrique décroît rapidement lorsq'on s'éloigne du dipôle, encore plus rapidement que l'inverse du carré de la distance. Un calcul précis montrerait que l'intensité du champ électrique est proportionnelle à l'inverse du cube de la distance au dipôle (la position du dipôle est définie comme le point milieu entre les deux charges ponctuelles). \(E \propto 1/r^3\)
Deux segments de droite parallèles et de charges opposées d'égales grandeurs
Les deux segments ont la même longueur et porte des densités de charge linéiques uniformes et opposées \(\lambda_1 = +\lambda\), \(\lambda_2=-\lambda\).
Comme dans le cas des charges ponctuelles, les lignes forment des boucles qui relient le segment positif au segment négatif. Plus les segments sont rapprochés, plus les lignes tentend à rester dans des plans transversaux aux segments
Deux surfaces planes carrées parallèles et de charges opposées d'égales grandeurs
Les deux surfaces ont la même aire et porte des densités de charge surfaciques uniformes et opposées \(\sigma_1 = +\sigma\), \(\sigma_2 = -\sigma\).
Lorsque les surfaces sont suffisament proches, la plupart des lignes de champ sont à l'intérieur de l'espace entre les deux surfaces. Seules quelques lignes relient entre eux les faces extérieures. Plus les surfaces sont proches, moins il y a des lignes à l'extérieur. Si les surfaces étaient infinie, il n'y auraient aucune lignes à l'extérieur, donc le champ y serait nul. Le champ à l'intérieur serait, quant-à-lui, uniforme, de grandeur \(E = \sigma/\epsilon_0\) et pointant vers la surface négative
Condensateurs
Transition vers l'équilibre électrostatique entre deux condensateurs
Balayez la région en haut à droite des condensateurs pour révéler les icônes de contrôle. Vous pouvez changer la distance entre les plaques, changer l'étendue des plaques et ajouter des charges. Un mouvement de charges se produit alors pour rétablir l'équibre du potentiel
Électromagnétisme
Induction électromagnétique
Loi de Faraday: courant induit par la variation du champ magnétique
Cliquez et déplacez l'aimant pour produire une variation du champ magnétique et ainsi induire un courant dans la boucle de droite.