Un champ électrique est une région autour d’une charge électrique où d’autres charges subissent une force. Ce champ est un champ vectoriel, ce qui signifie qu’il a à la fois une amplitude et une direction. Les champs électriques sont fondamentaux dans l’étude de l’électrostatique et fournissent des informations essentielles sur la manière dont les charges interagissent les unes avec les autres. Ces interactions sont la pierre angulaire de nombreux phénomènes en physique et en ingénierie.
Les champs électriques sont créés par des charges électriques ou par des champs magnétiques variables. L'intensité d'un champ électrique \(E\) en un point de l'espace est définie comme la force \(F\) par unité de charge \(q\) subie par une petite charge d'essai positive placée à ce point, exprimée mathématiquement comme : \( E = \frac{F}{q} \) La direction du champ est la direction de la force qu'une charge de test positive subirait si elle était placée dans le champ.
Le champ électrique dû à une charge ponctuelle \(Q\) à une distance \(r\) de la charge est donné par la loi de Coulomb : \( E = \frac{kQ}{r^2} \) où \(k\) est la constante de Coulomb \(8.987 \times 10^9\, \textrm{SUBST m}^2/\textrm{C}^2\) , \(Q\) est l'amplitude de la charge, et \(r\) est la distance entre la charge et le point où le champ est calculé. La direction du champ est radiale et opposée à la charge si \(Q\) est positive et vers la charge si \(Q\) est négative.
Les lignes de champ électrique sont des lignes imaginaires tracées de telle manière que leur direction en tout point est la même que la direction du champ en ce point. Ils permettent de visualiser les champs électriques. Les règles pour tracer les lignes de champ électrique sont les suivantes :
Lorsqu'il s'agit du champ électrique entre deux charges ponctuelles, le champ électrique net en un point est la somme vectorielle des champs créés indépendamment par chaque charge. Pour les charges de même signe, les lignes de champ se repoussent, tandis que pour les charges opposées, les lignes sont dirigées de la charge positive vers la charge négative, indiquant une attraction.
Un champ électrique uniforme est un champ dans lequel l’intensité du champ est la même en tout point du champ. Ceci est généralement représenté par des lignes parallèles et équidistantes. Un exemple courant de champ électrique uniforme est le champ entre deux grandes plaques conductrices parallèles avec des charges opposées. L'intensité du champ dans un champ électrique uniforme peut être calculée comme suit : \( E = \frac{V}{d} \) où \(V\) est la différence de potentiel entre les plaques et \(d\) est la distance séparant eux.
Un dipôle électrique est constitué de deux charges égales et opposées séparées par une petite distance. Le modèle de champ d'un dipôle montre des lignes qui commencent à la charge positive et se terminent à la charge négative. Les lignes à l'extérieur du dipôle sont similaires à celles d'une charge unique sur de grandes distances, mais dans la région située entre les charges, les lignes présentent un motif distinct qui se courbe vers l'extérieur avant de revenir vers la charge négative. Ce modèle illustre la nature non uniforme du champ électrique autour d'un dipôle.
Comprendre les modèles de champ électrique est essentiel pour concevoir et analyser divers appareils électriques et électroniques. De la simple conception de condensateurs avec des champs électriques uniformes aux structures complexes des dispositifs à semi-conducteurs où le contrôle des modèles de champ électrique est essentiel à leur fonctionnement. De plus, les modèles de champs électriques aident à comprendre les phénomènes de la physique des plasmas, la formation de la foudre et même les systèmes biologiques où les champs électriques sont utilisés dans la transmission des signaux nerveux.
Pour visualiser les modèles de champ électrique, une expérience courante consiste à placer un papier conducteur entre deux électrodes connectées à une alimentation électrique et à saupoudrer de poudre de lycopodium sur le papier. Lorsqu’une tension est appliquée, la poudre s’organise le long des lignes du champ électrique, permettant ainsi d’observer directement les motifs. Cette expérience démontre de manière tangible les principes des lignes et des modèles de champ électrique.
Les modèles de champs électriques fournissent un cadre visuel et mathématique pour comprendre les interactions entre les particules chargées. Qu'il s'agisse de calculer la force exercée sur une charge dans un champ électrique uniforme ou d'analyser des modèles complexes dans des champs dipolaires, le concept de champs électriques et de leurs modèles est la pierre angulaire de l'étude de l'électrostatique et de l'électromagnétisme dans leur ensemble.
