[PDF] 1 But 2 Théorie Le patron du potentiel électrique

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PHYSQ 126: Potentiel et champ{1

POTENTIEL

ELECTROSTATIQUE ET CHAMP

1 But

Le but de cette experience

1est d'etudier la conguration du potentiel electrique (c.-a-d. levoltage) et sa

relation au champ electrique dans la region autour de deux conducteurs charges. Un schema des courbes de

potentiel constant, ouequipotentielles, peut ^etre utilise pour tracer les lignes de champ electrique. Le patron

du potentiel electrique donne un apercu de l'intensite du champ electrique entre les conducteurs. En retour,

les lignes de champs donne une idee qualitative de la distribution des charges sur les conducteurs.

2 Theorie

L'electrostatique etudie la relation entre le champ electrique, le potentiel electrique et la distribution de

charges dans des situations ou les charges n'accelerent pas. Le champ electrique est genere par les charges

et il couvre la region qui entoure les charges.

Par exemple, considerez le champ electrique entre deux charges +QetQ, represente a la Figure 1:Le schema contient des courbes solides et des lignes pointillees localement perpendiculaires les unes

aux autres. Lescourbes solides avec des eches representent les lignes de champ electrique, alors que les

courbes pointillees representent les equipotentielles. Les lignes de champ electrique partent des charges

positives et pointent vers les charges negatives. De plus, la densite des lignes de champ electrique indiquent

qualitativement l'intensite du champ electrique: le champ est plus intense la ou les lignes de champ sont

plus concentrees. M^eme chose a la surface du conducteur : les charges seront plus denses la ou les lignes de

champ electrique sont plus concentrees.1

Adaptation et traduction de: Experiment 14 - Electrostatic Potentials and Fields,Physics Laboratory Manual- Phys

124/126,Department of Physics, University of Alberta.

PHYSQ 126: Potentiel et champ{2

Le champ electrique en un point dans l'espace est relie au potentiel electrique par 2 E=Vs ou sest la distance entre deux equipotentielles voisines. Le signedans cette equation signie que le champEpointe dans la direction ou le potentielVdiminue. Comme le champ electrique pointe des charges

positives vers les charges negatives, ceci implique que le potentiel diminue quand on approche les charges

negatives 3.

3 Materiel

Appareil de champ electrique, une feuille noire de papier conducteur, papier quadrille, source de courant,

multimetre digital.

4 Manipulations

1. Montez l'appareil de la Figure 2. Dans le schema, le symbole Vrepresente le multimetre digital.Figure 2. Schema du montage (a gauche) et photo (a droite)

2

Rappel: Le champ electriqueEest deni de sorte que si une charge testqest placee dans ce champ electrique, elle subira une

force electrostatiqueF=qE. Si la charge est deplacee d'une distance sparallelement a la force electrostatique, une quantite

de travailW=Fs=qEsdoit ^etre fournie. L'energie potentielle correspondante doit donc changer de U=qEs. Le

potentiel electriqueVest deni comme l'energie potentielle par unite de chargeV=U=q.

3A titre de renseignement, dans l'espace a trois dimensions, les composantes du champ electrique sont donnees par les

relations E x=Vx; Ey=Vy; Ez=Vz;

ou xest un petit deplacement dans la directionx, et de m^eme pouryetz. Par exemple, siVne change pas (c.-a-d. V= 0)

quand on se deplace dans la directiony, on aEy= 0.

PHYSQ 126: Potentiel et champ{3

2. Reproduisez l'image des deux conducteurs (formes rectangulaires argentees dessinees sur le papier noir)

sur votre feuille blanche de papier quadrillee fournie lors de l'experience.

3. Allumez la source de courant et ajustez le voltage a 6.0 V.

4. Une des sondes du multimetre digital restera xe (sonde noire de la Figure 2 a droite) tandis que l'autre

sera deplacee sur la feuille (sonde rouge de la Figure 2 a droite).

5. Deplacez la sonde mobile autour d'un des conducteurs, de facon a identier les endroits ou la dierence

de potentiel entre les deux sondes du multimetre digital est egale a 0.5 V. Notez ces endroits sur votre

feuille blanche quadrillee a l'aide de petites croix. Assurez-vous de tracer susamment de petites croix,

a environ tous les deux centimetres, pour ^etre capable de tracer l'equipotentielle de 0.5 V.

6. Repetez l'etape precedente de facon a identier et a tracer chacune des equipotentielles suivantes: 1.0

V, 1.5 V, 2.0 V, 2.5 V, 3.0 V, 3.5 V, 4.0 V, 4.5 V, 5.0 V et 5.5 V (celles de 0.0 V et 6.0 V sont situees

a chacun des deux conducteurs).

5 Resultats et analyse

1. Sur la feuille ou vous avez trace les equipotentielles, ajoutez ensuite les lignes de champ electrique en

utilisant la methode decrite a l'Annexe. Dessinez aussi la distribution des charges + et.

2. Ensuite, identiez sur votre schema les regions suivantes, en utilisant les abbreviations:

champ electrique le plus fort (F), champ electrique le plus faible (W), champ electrique uniforme (U), concentration de charges positives plus grande (Gp), concentration de charges positives plus petite (Pp), concentration de charges negatives plus grande (Gn), concentration de charges negatives plus petite (Pn), 3. A l'endroit ou le champ est le plus fort, calculez la grandeurjEjmaxen utilisantE=Vset les deux equipotentielles les plus rapprochees.

ANNEXE

Guide pour tracer les lignes de champ electrique.

Apres avoir dessine les equipotentielles pour un certain patron de conducteurs, vous pouvez tracer les

lignes de champ electrique. Pour ce faire, nous rappelons la liste des proprietes des distributions de charges

sur les conducteurs:

1. Les charges libres d'un conducteur se trouvent a la surface du conducteur. La surface du conducteur

est elle-m^eme une surface equipotentielle.

2. Les lignes de champ electrique partent des charges positives et se dirigent vers les charges negatives.

PHYSQ 126: Potentiel et champ{4

3. Les lignes de champ electrique sont perpendiculaires a chaque equipotentielle qu'elles interceptent,

incluant la surface des conducteurs. On represente par dla distance entre des lignes de champ, et par sla distance entre des equipotentielles.

4. La densite de lignes de champ par unite de surface est proportionnelle a l'intensite du champ electrique.

D'apres les proprietes 1 a 3, chaque ligne de champ commence a la surface du conducteur charge

positivement et est tracee de facon a ^etre perpendiculaire a toutes les equipotentielles qu'elle intercepte,

pour se terminer a la surface du conducteur charge negativement. Une fois qu'une premiere ligne de champ

est tracee a partir d'un conducteur, la quatrieme propriete est utilisee pour decider ou commencer les lignes

de champ voisines. Remarquez que Vest le m^eme le long d'une paire d'equipotentielles. De plus, la separation entre les lignes de champ dest proportionnelle a l'aire de la section, carA= ds. AvecN qui est le nombre de lignes dans une certaine region, on en tire

E=Vs/1s/NA

/1d:

Ainsi, la separation sentre les equipotentielles est proportionnelle a l'espace entre les lignes de champ d

et, par commodite, on peut choisir s= dcomme a la Figure 3. Cette technique fonctionne le mieux

pour des conducteurs relativement plats et, si possible, la premiere ligne devrait ^etre tracee a partir du point

symetrique du patron. Par commodite, nous pouvons choisir de debuter chaque ligne de champ a une charge

positive + et de la nir a une charge negative.Remarque:Commencez a tracer votre premiere ligne de champ vers le centre du patron. Debutez

les autres lignes de champ de maniere a avoir la distance dn= snpour les aires respectivesAnle long

du conducteur plat. Pour completer le patron, les lignes de champ electrique sont tracees en commencant

perpendiculairement au conducteur plat, puis en continuant perpendiculairement aux equipotentielles et,

PHYSQ 126: Potentiel et champ{5

pour nir, en terminant au conducteur circulaire. De plus, chaque ligne de champ est associee a une charge

individuelle positive + a son point de depart, et une charge individuelle negativea son point d'arrivee.

Exercice: Le paratonnerre.

Completez les etapes de la sectionResultats et analysepour le schema de la Figure 4, ci-dessous. Commencez par tracer les lignes de champ electrique en suivant la methode decrite dans l'annexe.quotesdbs_dbs47.pdfusesText_47

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