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Chapitre 1.2 – La loi de Coulomb


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—De la formule l= s~~--—EL 7on en oon- y. A—i n. ' i .dutque/ diminuera à COULOMB.—FORCE DE TORSION ET ÉLASTICITÉ l'angledetorsion



Chapitre CI - De la loi de Coulomb au théorème de Gauss.

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Définition 1 1 — Force électrostatique - loi de COULOMB La force électrostatique qu'exerce C1 sur C2 : F1?2 def = k



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4) Enoncé de la Loi de coulomb: « L'intensité de la force électrostatique entre deux charges électriques est proportionnelle au produit des deux charges et est 

  • Comment calculer la force de Coulomb ?

    . R est égal à la distance entre les deux charges. Petit rappel: une force s'exprime en newton (N), une distance en mètre (m) et une charge électrique en coulomb (C). Donc la force exercée sera proportionnelle au produit des charges divisé par la distance au carré.
  • Quelle est la formule de la force électrique ?

    Si on cherche maintenant à calculer l'intensité de la force que subit la particule, il nous faut appliquer cette relation : F = q.E.
  • Comment calculer la charge Q ?

    Toute charge électrique est un multiple de la charge élémentaire. Exemple : La charge d'une mole d'électrons est q = NA × qe = 6,02.1023 × (–1,6.10-19) = 96 320 C.
  • « L'intensité de la force électrostatique entre deux charges électriques est proportionnelle au produit des deux charges et est inversement proportionnelle au carré de la distance entre les deux charges.
Référence : Marc Séguin, Physique XXI Tome B Page 1

Note de cours rédigée par Simon Vézina

Chapitre 1.2 - La loi de Coulomb

La loi de Coulomb en électrostatique

Dans les années 1780, le physicien français Charles-Augustin de Coulomb découvre expérimentalement l'expression décrivant le module de la force électrique que s'exercent deux charges électriques immobiles disposées sur des sphères. De nos jours, nous savons que la loi de Coulomb s'applique à toutes les particules pouvant être considérées comme étant ponctuelles. Coulomb réalise que le module de la force électrique dépend des paramètres suivants :

21eqqF? : La force électrique est proportionnelle au produit des deux charges

1q et 2q en attraction ou en répulsion.

2 e/1rF? : La force électrique est inversement proportionnelle au carré de la distance entre les deux charges. kF? e : La force électrique est proportionnelle à une constante afin d'évaluer la force électrique en newton.

Charles A. Coulomb

(1736-1806) Voici l'expression scalaire de la loi de Coulomb en électrostatique 1 : 221
er qqkF= où eF: Force électrique en newton (N)

1q : Charge #1 qui applique la force électrique sur la charge #2 en coulomb (C)

2q : Charge #2 qui applique la force électrique sur la charge #1 en coulomb (C)

r : Distance entre les deux charges ponctuelles en mètre (m) k : Constante de la loi de Coulomb,

229/CmN1000,9?×=k

Attraction

Charges signes contraires (021

Répulsion

Charges signes semblables (021>qq)

r ( )12e→Fv ( )21e→Fv 1q 2q 1q 2q ()21e→Fv r ( )12e→Fv

1 La loi de Coulomb tel que présentée s'applique uniquement à deux regroupements de charges immobiles et porte le nom

de loi de Coulomb en électrostatique. Référence : Marc Séguin, Physique XXI Tome B Page 2

Note de cours rédigée par Simon Vézina

Situation 2 : Une bille chargée en équilibre. Une petite bille chargée A est suspendue au plafond par une corde de 25 cm de longueur dont la masse est

négligeable. On place une petite bille B dont la charge est égale à +5 µC à

l'extrémité d'une baguette en bois et on l'approche de la bille A. On obtient la situation d'équilibre illustrée sur le schéma ci-dessous : la corde fait un angle de

30o avec la verticale et la bille B est à 10 cm à droite de la bille A, à la même

hauteur. On désire déterminer la charge de la bille A, sachant que sa masse est

égale à 0,004 kg.

A B r

Voici le schéma des forces de

la situation : Décomposition des forces selon l'axe xy : Résolution de la 2e loi de

Newton graphique :

r A B eFv gmv Tv 0=av Fe mAg T x y

T sinθ

T cosθ

gmv Tv eFv

Appliquons la 2

e loi de Newton selon l'axe y : ()0cosA=-=∑gmTFyθ ⇒ ( )θcos

AgmT= (Isoler T)

( )°=30cos8,9004,0T (Remplacer valeurs num.) ⇒ N0453,0=T (Évaluer T)

Appliquons la 2

e loi de Newton selon l'axe x : ()0sine=+-=∑θTFFx ⇒ ()θsineTF= (Isoler eF) ⇒ ()()°=30sin0453,0eF (Remplacer valeurs num.) ⇒ N02265,0e=F (Évaluer eF) Avec la définition de la force électrique, nous pouvons évaluer la charge de la bille A : 2BA er qqkF= ⇒ B2 e

AqkrFq= (Isoler Aq)

⇒ ()()( )692 A1051091,002265,0-××=q (Remplacer valeurs num.) ⇒ C1059

A-×=q (Évaluer Aq)

⇒ C1059

A-×-=q (Attraction et 0B>q)

Référence : Marc Séguin, Physique XXI Tome B Page 3

Note de cours rédigée par Simon Vézina

La loi de Coulomb sous forme vectorielle

La définition vectorielle de la

force électrique nécessite le vecteur unitaire rˆ désignant l'orientation radiale de la force électrique. Dans cette définition, il faut préciser quelle charge Q applique la force et quelle charge q subit la force : rr qQkFˆ 2e=v où eFv: Force électrique en newton (N) Q > 0 r rˆ eFv q > 0 Q : Charge qui applique la force électrique en coulomb en coulomb (C) q : Charge qui subit la force électrique en coulomb (C) r : Distance entre les deux charges ponctuelles en mètre (m) k : Constante de la loi de Coulomb, 229/CmN1000,9?×=k rˆ : Vecteur unitaire orientation de Q (source) à q (cible) (1ˆ=r)

Remarque :

Le terme 2/rqQkreprésente le module de la force électrique. Le terme rˆdésigne l'orientation de la force de la source Q vers la cible q. Le signe du produit qQ désigne la nature de l'interaction (attraction (-) ou répulsion (+)).

Le vecteur orientation rˆ

Lorsqu'on utilise le vecteur orientation

rˆ, il est important de ne pas confondre ce vecteur avec la notion de déplacement rv et de distance r. Cependant, toutes ces notions sont reliées mathématiquement par les équations suivantes :

Vecteur

déplacement La distance Vecteur orientation rˆ rv r Q q rrrˆ=v x y Qrv qrv

Qqrrrvvv-= rrrˆ=v

rrv= r rrv où rˆ : Vecteur unitaire orientation. rv : Vecteur déplacement entre deux points. r : Distance entre deux points (rrv=) Dans un système d'axe xy, le vecteur unitaire rˆ peut être décomposé de la façon suivante : ()()jirvvθθsincosˆ+= où θ est l'angle entre le vecteur rˆ et l'axe x. rˆ ()ivθcos ()jvθsin x y Référence : Marc Séguin, Physique XXI Tome B Page 4

Note de cours rédigée par Simon Vézina

Situation A : Deux charges alignées sur l'axe x. Une sphère A chargée de 8 µC est située à 2 m à droite d'une sphère B chargée de -3 µC. Les deux sphères sont alignées sur l'axe x. On désire évaluer (a) la force électrique appliquée par la sphère A sur la sphère B et (b) la force électrique appliquée par la sphère

B sur la sphère A. ()mx

Bq AQ 2 m

Voici les informations pertinentes au calcul de la force électrique appliquée par la sphère A sur la

sphère B : • µC8A=Q • µC3B-=q • AB2 mr= • ABˆr i= - (A vers B) ()mx Bq AQ 2 m rˆ ABFv Évaluons la force électrique que la sphère A de charge AQ applique sur la sphère B de charge Bq : B A

AB AB2

ABˆq QF k rr=v ⇒ ( )()()

( )( )iFvv-××-×= 266
9

AB2108103109

⇒ N054,0ABiFvv= (a)

Appliquons la 3

e loi de Newton afin d'évaluer la force électrique que la sphère B applique sur

la sphère A :

BAABFFvv-= ⇒ ()N054,0BAiFvv-=

⇒ N054,0BAiFvv-= (b) Référence : Marc Séguin, Physique XXI Tome B Page 5

Note de cours rédigée par Simon Vézina

Situation B : Deux charges non alignées sur un axe. On désire évaluer la force électrique

qu'applique la particule A de µC7 située à la position jirvvv2A+= sur la particule B

µC3 située à la position jirvvv+=3B.

Voici la représentation graphique de

la situation dans un système d'axe cartésien xy. Notons la présence des les vecteurs positions suivants : jirvvv2A+= jirvvv+=3B QB x (m) y (m) ABFv QA Arv Brv rv rv Arv-

Évaluons le vecteur déplacement

rv de la particule A vers la particule B à partir des deux vecteurs positions

Arv et Brv :

ABrrrvvv-= ⇒ ())2(3jijirvvvvv+-+= (Remplacer valeurs num.) ⇒ jirvvv-=2 (Évaluer rv) Évaluons la distance entre la particule A et la particule B à partir du vecteur déplacement rv : rrv= ⇒ 22 yxrrr+= (Distance selon xy) ⇒ ( ) ( )2212-+=r (Remplacer xr et yr) ⇒ 5=r (Évaluer r)

Évaluons le vecteur unitaire

rˆ à partir du vecteur déplacement rv et de la distance r : rrrv v =ˆ ⇒ ()jirvv-=251ˆ (Remplacer rv et r)

Évaluons la force de Coulomb vectoriellement :

rr qQkFˆ

2e=v ⇒ rr

QqkFˆ2AB

AB=v (Remplacer Bqq= et AQQ=)

jiFvvv251

5103107109

266
9

AB (Remplacer valeurs num.)

⇒ ()jiFvvv-=255189,0AB (Calcul) ⇒ ()N017,0034,0ABjiFvvv-= (Calcul) Référence : Marc Séguin, Physique XXI Tome B Page 6

Note de cours rédigée par Simon Vézina

Situation C : Force électrique provenant de deux charges. On désire évaluer la force électrique résultante (module et orientation) exercée par Q1 de µC4 et Q2 de µC2- sur Q3 de µC3 sachant que les charges sont situées aux endroits spécifiés sur le schéma ci-contre. 4 cm 3 cm 1Q 2Q 3Q

Voici la représentation graphique de la situation. Identifions nos vecteurs positions pour l'ensemble de nos charges à l'aide d'un système d'axe

xy lorsque l'origine est située à la position de la charge

Q2 (choix arbitraire) :

µC41=Q irvv04,01-=

µC22-=Q 02=rv

µC33=q jrvv03,03=

1Q 2Q 3Q ()cmx ()cmy 13Fv 23Fv
1rv 3rv

Évaluons nos vecteurs déplacement

rv ainsi que la distance r entre nos charges :

Charge 1 vers 3 :

1313rrrvvv-= ⇒ jirvvv03,004,013+=

1313rrv= ⇒ ( ) ( )05,003,004,022

13=+=r

Charge 2 vers 3 :

2323rrrvvv-= ⇒ jrrrvvvv03,02323=-=

2323rrv= ⇒ ( )03,003,02

23==r
Évaluons la force électrique à l'aide de la formule suivante modifiée 2 : rr qQkFˆ2e=v ⇒ r r r qQkFvv

2e= (Remplacer rrr/ˆv=)

⇒ rrquotesdbs_dbs11.pdfusesText_17

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