⚡ Le champ électrique et ses lignes de champ
Deux charges électriques ne se touchent jamais, et pourtant elles se poussent et se tirent à distance : c'est le champ électrique qui joue les messagers. Dépose des charges, regarde les lignes de champ se tortiller pour les relier, puis lâche une petite charge test… en espérant qu'elle ne finisse pas collée sur une charge négative.
🧪 Mode d'emploi : règle les curseurs (à droite, ou sous l'animation sur téléphone), lance avec ▶, observe les mesures et relève les 🎯 défis. Le bouton ⛶ agrandit l'animation, idéal sur téléphone à l'horizontale.
Ce que tu vois
- Les lignes de champ partent des charges positives et arrivent sur les charges négatives. Elles ne se croisent jamais, et le nombre de lignes est proportionnel à la valeur de la charge.
- Le champ est intense là où les lignes sont serrées (près des charges) et faible là où elles s'écartent. Avec deux charges identiques, il existe un point où le champ est nul : aucune ligne n'y passe.
- Les équipotentielles (en vert) coupent toujours les lignes de champ à angle droit, et le champ va des potentiels élevés vers les potentiels bas.
- Entre les plaques du condensateur, les lignes sont parallèles et régulièrement espacées : le champ est uniforme. À l'extérieur des plaques, il est presque nul.
- La charge test part dans le sens de la force F = qE : dans le sens des lignes si q > 0, à contre-sens si q < 0. Une fois lancée, elle ne suit pas exactement les lignes : elle a de l'inertie !
Expériences à faire
- Avec deux charges identiques, où se trouve le point de champ nul ? Et si l'une vaut +8 nC et l'autre +2 nC, ce point se rapproche-t-il de la grosse ou de la petite charge ?
- Double la valeur d'une charge du dipôle : combien de lignes en partent maintenant ? Où arrivent celles qui ne trouvent pas de charge négative ?
- Dans le dipôle, où faut-il lâcher une charge test positive pour qu'elle percute la charge négative ? Que fait une charge test négative lâchée au même endroit ?
- Écarte un peu les plaques du condensateur : le champ au milieu change-t-il beaucoup ? Et si tu les écartes énormément ? Et si les deux plaques ont le même signe ?
- Choisis ✏️ Mes valeurs pour la charge test et divise sa masse par 10 : lâchée au même endroit, suit-elle la même trajectoire ? Va-t-elle plus vite ? Tu peux aussi taper des charges non entières (2,5 nC) ou très grandes (50 nC).
La physique derrière l'animation
- Loi de Coulomb : une charge ponctuelle q crée à la distance r un champ de valeur E = k |q| / r², avec k = 1/(4πε0) = 8,99 × 109 N·m²·C−2, dirigé vers l'extérieur si q > 0 et vers la charge si q < 0. Son potentiel vaut V = k q / r.
- Principe de superposition : le champ créé par plusieurs charges est la somme vectorielle des champs créés par chacune, E = E1 + E2 + … C'est ainsi que deux champs peuvent s'annuler.
- Une charge q placée dans un champ E subit la force électrique F = q E, de valeur F = |q| × E (en N, avec q en C et E en V/m).
- Condensateur plan : entre deux plaques de charges surfaciques +σ et −σ, le champ est uniforme, E = σ / ε0 = U / d (U : tension entre les plaques, d : écartement). C'est exact pour des plaques infiniment larges ; ici, elles sont finies, donc le champ est un peu plus faible et « bave » sur les bords (effets de bord).
- Modèle de l'animation : vide, charges ponctuelles, plaques très longues vues par la tranche ; la charge test (1 nC et 10 mg au départ, réglables avec ✏️) glisse sans frottement ni pesanteur (vue de dessus). Échelle : 1 carreau = 5 cm.
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