Champs et forces

Objectifs:

-Comprendre la notion de champ

-Cartographier un champ

-Donner les caractéristiques du champ magnétique terrestre, d'un champ électrostatique, du champ de pesanteur

-Connaître la relation entre champ et force

I Qu'est ce qu'un champ en Physique?

A) Notion de champ: exemple de la météorologie

a) Définition

On parle de champ lorsqu'une grandeur varie suivant le point de l'espace dans lequel elle se manifeste

➥La valeur du point change selon sa place dans l'espace

b) Exemple de la météorologie

-Les cartes des températures , les cartes de pressions atmosphériques, sont des cartes de champ

-Les cartes de vent sont aussi des cartes de champs (vitesse+direction du vent)

➥La valeur des points représentés change selon leurs place sur la carte

B) Champ scalaire et champ vectoriel

Champ scalaire: Les points représentent des valeurs

➥Exemple: cartes de température

Champ vectoriel: Les points sont des vecteurs

➥Exemple: carte des vents

C) Vecteur champ:

-Le vecteur champ est composé de tous les vecteurs du champ vectoriel:

Ex: cas du vent, le vecteur champ est composé de:

-Chaque vecteur et donne une direction, un sens et une force

Ex: cas d'un champ magnétique, le vecteur champ peut être:

-Une aiguille aimantée et donne la direction, le sens du vecteur champ magnétique au point où elle se trouve

D) Lignes de champ

Dans l'espace d'un champ vectoriel:

-Toutes les lignes de champ sont tangentes en tout point au vecteur champ

-Toutes les lignes de champ sont orientées dans le même sens que le vecteur champ

A savoir:

-A l'extérieur de l'aimant, les lignes du champ magnétiques sont orientéees du Nord vers le Sud

-Les lignes d'un champ électrostatique d'une charge électrique partent de la charge + ou se dirigent vers la charge -

-Les lignes du champ de gravitation d'une masse vont toujours vers la masse

E) Champ uniforme

Définition: Un champ est uniformes si, dans une partie de l'espace , le vecteur champ a les mêmes:

-Direction

-Sens

-Norme

-Les lignes de champ d'un champ uniforme sont parallèles

II Caractéristiques de quelques champs vectoriel

A) Champ magnétiques

1) Généralités

-Un champ magnétique peut être créé par différents sources (aimant, fil électrique parcourut par un courant, noyaux de la terre...)

-Pour détecter un champ magnétique en un point, on place une aiguille aimantée qui va montrer la direction du champ

-Le vecteur d'un champ magnétique a les caractéristiques suivantes:

Origine: centre de l'aiguille

Direction: direction de l'aiguille

Sens: Du Sud vers le Nord de l'aiguille

Valeur: exprimée en Tesla (T)

2) Champs magnétique terrestre

-Créé par le noyau de a terre (matière métallique en fusion)

-La valeur de ce champ dépend du lieu et varient entre 20 et 65 micro Tesla

-Il est modélisé par un aimant fictif au centre de la terre

➥Sa direction forme un angle de déclinaison D par rapport à l'axe de rotation de la terre

REMARQUE: cette déclinaison varie constamment a cause des mouvement dans le noyau

➥Les pôles magnétiques ne sont pas fixe

-L'orientation des lignes du champ magnétique terrestre dépend de la position sur terre

Donc, les pôles magnétiques sont décalés par rapport aux pôles géographiques

-De plus, les pôles magnétiques et géographiques sont inversé

➥le nord magnétique est au sud géographique

B) le champ électrostatique

-Lorsque deux entités chargées électriquement sont placé à proximité, elles subissent une forcée électrostatique F

➥Une entité chargée permet de détecter la présence d'un champ électrostatique E

1) Propriété du champ électrostatique

Relation entre vecteur champ électrostatique E et force électrostatique F subie par une entité de charge q:

E = $F/q$

Caractéristiques du vecteur champ électrostatique en un point:

-Direction: direction de F

-Sens: sens de F si q>0 et sens opposé à F si 0 > q

-Norme: exprimée en N.C^-1 (ou V.m^-1)

REMARQUE: Le champ en un point est indépendant de la charge q de l'entité qui détecte le champ

-Une entité chargée électriquement change les propriétés de l'espace qui l'entoure

➥Création d'un champ électrostatique

-Le placement des entités et les valeurs de leurs charges détermine la cartographie du champ électrostatique qu'ils créent

2) Champ électrostatique dans un condensateur plan

-Un condensateur plan permet de créer un champ électrostatique uniforme

-Il est constitué de deux armatures parallèlles , l'une positive, l'autre négative

➥Le champ électrostatique uniforme est créé entre ces deux armatures

C) Champs et gravitation

1) Le champ de gravitation

-Quand un objet A de masse m_a est à proximité d'un objet B de masse m_b, A subit une force gravitationnelle exercée par B (et inversement)

-La forcé gravitationnelle est toujours attractive

-Force du champ gravitationnelle pour des objets ponctuel ou à symétrie sphérique de distance "d"

F = G ✕ ${m_a \; ✕ \; m_b}/{d²}$

F: force en Newton, m: masse en Kg, d: distance en mètre

G: 6.67 ✕ 10^-11m³ ✕ kg^-1 ✕ s^-2, constante de gravitation universelle

Quand une masse ponctuelle subit cette force, cela veut dire que:

-Cette masse est à proximité d'objets ayant des masses

-On peut définir un champ vectoriel appelé champ de gravitation (noté G majuscule manuscrit), dont la norme est exprimée en N ✕ kg^-1 où se trouve l'objet

➥Champ de gravitation = $F/m$

-Avec F: force gravitationnelle subie par l'objet et m: la masse de l'objet

2) Le champ de pesanteur

-Un objet proche de la terre subit une force: son poids (P)

➥Cette objet peut détecter le champ de pesanteur g de la terre

-On note g = $P/m$

-Avec g: le champ de pesanteur, P le poids et m la masse de l'objet

Caractéristiques du champ de pesanteur:

-Direction: verticale

-Sens: vers le bas

-Norme: exprimée en N.gk^-1 (ou m.s^-2)

REMARQUE: à la surface de la terre, g = 9.81 N.kg^-1

➥C'est l'intensité de pesanteur, qui est égale à la constante de gravitation

Cartographie du champ de pesanteur

-Les lignes de champs sont des droites qui passent par le centre de la terre

➥Elles sont orienté vers la terre

-Pour une petite région, on considère ce champ comme uniforme

➥Les lignes de champs sont alors parallèlles

3) Champ de pesanteur et champ de gravitation

On peut grossièrement dire que:

Champ de pesanteur = Champ de gravitation

➥En réalité, pour plus de précision sur le champ de pesanteur, il faut prendre en compte:

-La rotation de la terre

-L'attraction gravitationnelle du soleil

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