Qu'est-ce qu'un champ électrique? Définition, formule, exemple

Lorsqu'un ballon est frotté contre un pull, le ballon se charge. En raison de cette charge, le ballon peut coller aux murs, mais lorsqu'il est placé à côté d'un autre ballon qui a également été frotté, le premier ballon volera dans la direction opposée.

Points clés: champ électrique

• Une charge électrique est une propriété de la matière qui amène ou repousse deux objets en fonction de leurs charges (positives ou négatives).
• Un champ électrique est une région de l'espace autour d'une particule ou d'un objet chargé électriquement dans laquelle une charge électrique ressentirait une force.
• Un champ électrique est une quantité vectorielle et peut être visualisé sous forme de flèches allant vers ou s'éloignant des charges. Les lignes sont définies comme pointant radialement vers l'extérieur, loin d'une charge positive, ou radialement vers l'intérieur, vers une charge négative.

Ce phénomène est le résultat d'une propriété de la matière appelée charge électrique. Les charges électriques produisent des champs électriques: régions de l'espace autour de particules ou d'objets chargés électriquement dans lesquelles d'autres particules ou objets chargés électriquement ressentiraient la force.

Définition de la charge électrique

Une charge électrique, qui peut être positive ou négative, est une propriété de la matière qui provoque l'attraction ou la répulsion de deux objets. Si les objets sont de charge opposée (positif-négatif), ils s'attireront; s'ils sont facturés de la même manière (positif-positif ou négatif-négatif), ils repousseront.

L'unité de charge électrique est le coulomb, qui est défini comme la quantité d'électricité transportée par un courant électrique de 1 ampère en 1 seconde.

Les atomes, qui sont les unités de base de la matière, sont constitués de trois types de particules: les électrons, les neutrons et les protons. Les électrons et les protons eux-mêmes sont chargés électriquement et ont respectivement une charge négative et positive. Un neutron n'est pas chargé électriquement.

De nombreux objets sont électriquement neutres et ont une charge nette totale de zéro. S'il y a un excès d'électrons ou de protons, produisant ainsi une charge nette qui n'est pas nulle, les objets sont considérés comme chargés.

Une façon de quantifier la charge électrique consiste à utiliser la constante e = 1,602 * 10^-19 coulombs. Un électron, qui est le plus petitquantité de charge électrique négative, a une charge de -1.602 * 10^-19 coulombs. Un proton, qui est la plus petite quantité de charge électrique positive, a une charge de +1.602 * 10^-19 coulombs. Ainsi, 10 électrons auraient une charge de -10 e, et 10 protons auraient une charge de +10 e.

La loi de coulomb

Les charges électriques s'attirent ou se repoussent car elles exercent des forces les unes sur les autres. La force entre deux charges ponctuelles électriques - charges idéalisées concentrées en un point de l'espace - est décrite par la loi de Coulomb. La loi de Coulomb stipule que la force, ou l'ampleur, de la force entre deux charges ponctuelles estproportionnelle à l'ampleur des charges et inversement proportionnel à la distance entre les deux charges.

Mathématiquement, cela est donné comme suit:

F = (k | q₁q₂|) / r²

où q₁ est la charge de la première charge ponctuelle, q₂ est la charge de la deuxième charge ponctuelle, k = 8,988 * 10⁹ Nm²/ C² est la constante de Coulomb, et r est la distance entre deux charges ponctuelles.

Bien qu'il n'y ait techniquement pas de charges ponctuelles réelles, les électrons, les protons et autres particules sont si petits qu'ils peuvent être approximé par une charge ponctuelle.

Formule de champ électrique

Une charge électrique produit un champ électrique, qui est une région de l'espace autour d'une particule ou d'un objet chargé électriquement dans laquelle une charge électrique ressentirait une force. Le champ électrique existe à tous les points de l'espace et peut être observé en introduisant une autre charge dans le champ électrique. Cependant, le champ électrique peut être estimé à zéro à des fins pratiques si les charges sont suffisamment éloignées les unes des autres.

Les champs électriques sont une quantité vectorielle et peuvent être visualisés sous forme de flèches allant vers ou s'éloignant des charges. Les lignes sont définies comme pointant radialement vers l'extérieur, loin d'une charge positive, ou radialement vers l'intérieur, vers une charge négative.

L'amplitude du champ électrique est donnée par la formule E = F / q, où E est la force du champ électrique, F est la force électrique et q est la charge d'essai utilisée pour «sentir» le champ électrique.

Exemple: champ électrique de charges à 2 points

Pour deux charges ponctuelles, F est donné par la loi de Coulomb ci-dessus.

• Ainsi, F = (k | q₁q₂|) / r², où q₂ est défini commecharge d'essaiqui est utilisé pour «sentir» le champ électrique.
• On utilise ensuite la formule du champ électrique pour obtenir E = F / q₂, depuis q₂ a été défini comme la charge d'essai.
• Après substitution de F, E = (k | q₁|) / r².

Sources

• Fitzpatrick, Richard. "Champs électriques." L'Université du Texas à Austin, 2007.
• Lewandowski, Heather et Chuck Rogers. "Champs électriques." Université du Colorado à Boulder, 2008.
• Richmond, Michael. "Charge électrique et loi de Coulomb." Institut de technologie de Rochester.