Cours N°4 - Force électrique et loi de Coulomb

Introduction au Cours d'Électronique

Contexte et Retard

• Le présentateur commence par s'excuser pour le retard dans la publication des cours, mentionnant qu'il a récemment démarré son activité indépendante et est débordé de travail.

• Il exprime sa gratitude envers les abonnés qui continuent à le suivre malgré ce retard.

Annonce du Sujet

• Le cours numéro 4 est prêt, et le sujet principal sera la force électrique, avec une explication sur son importance en électronique.

Rappel des Concepts Précédents

Libération Électronique

• Un rappel est fait sur la libération électronique, où l'électron libre est défini comme la charge élémentaire utilisée en électronique.

Charges Positives et Négatives

• Discussion sur l'existence de trous en plus des électrons libres, permettant d'avoir à la fois des charges positives et négatives.

Définition de l'Électronique

• La définition de l'électronique est réaffirmée : "Faire de l'électronique, c'est déplacer des charges de manière contrôlée."

Questions Fondamentales en Électronique

Compréhension des Charges

• Le présentateur estime que les auditeurs devraient avoir acquis une compréhension suffisante des charges pour commencer à pratiquer sérieusement l'électronique.

Déplacement des Charges

• L'accent est mis sur le déplacement des charges comme étant le sujet central du cours actuel.

La Force Électrique

Phénomène Électromagnétique

• Introduction au phénomène selon lequel les charges opposées s'attirent tandis que les charges similaires se repoussent.

Définition de la Force Électrique

• La force électrique est définie comme un phénomène fondamental de l'électromagnétisme qui explique ces interactions entre charges.

Application Pratique de la Force Électrique

Analogies Utilisées

• Une analogie avec une voiture chargée d’électrons est introduite pour illustrer comment utiliser la force électrique pour déplacer ces charges.

Moteur Électrique Conceptuel

• La force électrique est décrite comme le moteur nécessaire pour déplacer les électrons dans un circuit électronique.

Conclusion sur le Déplacement d'Électrons

• En plaçant une charge positive ou négative près d'un électron, on peut soit attirer soit repousser cet électron, démontrant ainsi comment utiliser efficacement la force électrique.

Comprendre la force électrique

Introduction à la force électrique

• La force électrique est présentée comme un moyen efficace de déplacer des charges, avec une intention de démonstration pratique plutôt que théorique.

• L'intervenant souligne l'importance d'observer physiquement la force électrique, affirmant qu'elle existe réellement et peut être démontrée.

Électrisation par frottement

• Pour observer la force électrique, il est proposé de charger deux objets par frottement, un processus simple qui permet le transfert de charge.

• L'électrisation par frottement est un phénomène courant, illustré par l'exemple de marcher pieds nus et toucher un objet métallique pour ressentir une décharge électrostatique.

Explication du phénomène

• Lorsqu'une personne marche pieds nus, elle accumule des charges sur son corps en raison du frottement avec le sol, ce qui provoque une décharge lorsqu'elle touche un objet conducteur.

• L'intervenant propose d'utiliser des objets simples comme une règle et une calculatrice pour démontrer l'électrisation, bien que ces objets ne soient pas les plus efficaces.

Matériaux appropriés pour la démonstration

• Une paille en plastique et un chiffon sont suggérés comme meilleurs choix pour observer l'électrisation. Le frottement entre ces deux matériaux permettra de transférer des électrons efficacement.

• L'utilisation d'un chiffon ancien est recommandée pour maximiser le transfert d'électrons lors du frottement avec la paille.

Compréhension scientifique simplifiée

• Une représentation simplifiée est proposée pour expliquer comment le frottement entre les deux objets entraîne une électrisation et un transfert de charge.

• L'intervenant met en garde que cette explication est une vulgarisation naïve ; la réalité scientifique derrière ces phénomènes est beaucoup plus complexe.

Modèle atomique simplifié

• Les objets (chiffon et paille) sont décrits comme constitués d'atomes formant des puits de potentiel. Cette analogie aide à comprendre les interactions électriques au niveau microscopique.

• Il est expliqué que les atomes du chiffon diffèrent de ceux de la paille, créant ainsi des barrières potentielles lors du contact entre les deux matériaux.

Barrières potentielles

• La différence dans les profondeurs des puits potentiels entre le chiffon et la paille crée ce qu'on appelle une barrière potentielle, essentielle à l'explication du phénomène d'électrisation.

Comprendre l'électrisation par frottement

Introduction à la complexité de l'électrisation

• L'intervenant souligne que le phénomène d'électrisation est plus complexe dans la réalité, mais qu'il va simplifier pour faciliter la compréhension.

Mécanisme du frottement

• En frottant deux objets, de l'énergie est transférée à la zone de frottement, permettant à un électron du chiffon de se libérer.

• Si l'énergie apportée n'est pas suffisante, l'électron peut sortir du chiffon mais ne peut pas franchir la barrière potentielle vers la paille.

Augmentation de l'énergie et transfert d'électrons

• En frottant plus énergiquement, on augmente l'énergie fournie, ce qui permet à l'électron de passer au-dessus de la barrière potentielle.

• Un électron libre peut être obtenu si le frottement est suffisamment fort pour le faire sortir du potentiel du chiffon.

Comportement des électrons après le frottement

• Lorsque le frottement cesse, l’électron perd son énergie acquise et retombe dans le premier puits potentiel rencontré (la paille).

• Ce processus entraîne également une perte d'énergie sous forme de chaleur due au frottement entre les deux objets.

Résumé des effets d’électrisation

• Le frottement a permis de transférer un électron du chiffon à la paille, créant ainsi une charge positive dans le chiffon et une charge négative dans la paille.

• La création d'un trou dans le chiffon indique une charge positive tandis que la paille reçoit un excès d'électrons, entraînant une charge négative.

Implications finales sur les charges électriques

• Le résultat final est que nous avons un chiffon chargé positivement et une paille chargée négativement. Les charges sont égales en valeur absolue mais opposées en signe.

• En termes quantitatifs, frotter un chiffon sur une paille génère quelques dizaines de nanocoulons correspondant à plusieurs centaines de milliards d’électrons.

Conclusion sur les phénomènes observés

• L'intervenant rappelle que cette explication reste une vulgarisation et que les phénomènes réels sont plus complexes. Il invite à réfléchir aux interactions entre les objets électrisés.

La Force Électrique et l'Attraction des Charges

Introduction à la force électrique

• La force électrique est le phénomène qui fait que deux charges de signes opposés s'attirent. Cela implique que la paille attire le chiffon, selon le point de vue.

Expérience d'attraction entre un chiffon et une paille

• Mise en place d'une expérience pour vérifier l'attraction : une paille suspendue par un fil de pêche léger pour observer les effets de l'électrisation.

• L'intérêt de suspendre la paille est qu'elle devient très mobile, permettant d'observer facilement les forces en jeu lors du frottement avec le chiffon.

Observation des résultats

• Après avoir frotté le chiffon contre la paille, on observe que le chiffon attire effectivement la paille, confirmant ainsi l'hypothèse initiale.

• En rapprochant le chiffon électrisé de la paille, il est clair qu'une force électrique agit entre eux, prouvant que les charges opposées s'attirent.

Vérification des charges similaires

• Il est important de tester également si deux charges de même signe se repoussent. Cela nécessite une deuxième paille chargée négativement.

• Une fois électrisée, cette deuxième paille devrait se repousser par rapport à la première.

Résultats sur les charges similaires

• Les deux pailles chargées négativement montrent clairement qu'elles se repoussent sans contact direct, illustrant ainsi l'action à distance due à la force électrique.

Conclusion sur l'électronique et contrôle des charges

• Bien que déplacer des charges soit essentiel en électronique, il manque encore un contrôle précis du déplacement.

• Pour contrôler ce déplacement, il faut comprendre comment fonctionne cette force électrique et introduire des concepts mathématiques pour quantifier cette force.

Importance des unités dans les forces électriques

• La force électrique doit être mesurée en Newton (N), comme toute autre force dans le système international. Un exemple donné est celui d'une masse de 1 kg ressentie sous l'effet du champ gravitationnel terrestre.

Comprendre la Force Électrique

Définition du Newton

• Un Newton est défini comme la force capable de fournir une accélération de 1 mètre par seconde carré à une masse de 1 kg, offrant ainsi un ordre de grandeur pour comprendre cette unité.

Interaction entre Charges Électriques

• La question posée concerne la force d'attraction ou de répulsion entre deux charges électriques Q1 et Q2, que l'on désigne par FE.

• Pour déterminer cette force, il serait possible d'expérimenter en variant les charges et la distance entre elles, mais cela a déjà été fait.

Contributions de Charles Augustin Coulomb

• Charles Augustin Coulomb a mené des recherches sur la force électrique il y a plus de 200 ans, établissant des bases fondamentales dans ce domaine.

• Il a formulé une équation qui décrit la force électrique FE entre deux charges Q1 et Q2 : FE = K times Q1 times Q2/r^2 .

Interprétation de l'Équation

• L'équation mathématique signifie que la force électrique est proportionnelle aux valeurs des charges Q1 et Q2. Plus les charges sont grandes, plus la force est forte.

• La constante K dépend du milieu dans lequel se trouvent les charges. Cela implique que le type d'environnement influence également la force électrique.

Distance et Force Électrique

• La force électrique diminue avec l'augmentation de la distance entre les charges, étant inversement proportionnelle au carré de cette distance (r²).

• Cette relation peut être comprise en visualisant comment l'influence émise par une charge se dilue sur une sphère dont le rayon augmente avec la distance.

Divergence Sphérique

• L'influence émise par une charge se répartit uniformément sur la surface d'une sphère, entraînant une dilution à mesure que le rayon augmente.

• Ainsi, bien que l'on pense souvent à une relation directe avec R (distance), c'est en réalité lié à la surface d'une sphère dont le rayon est R.

Conclusion Mathématique

• La formule montre que si on considère l'influence comme inversement proportionnelle à 4πr² (surface), cela justifie pourquoi r² apparaît dans l'équation coulombienne.

• Une clarification est apportée concernant le terme constant K qui dépend du milieu; il joue un rôle crucial dans cette équation.

La constante K et l'équation de Coulomb

Intégration de 4π dans K

• La constante 4π est intégrée dans la constante K pour simplifier les équations, bien qu'elle ne soit pas explicitement visible.

• L'équation de Coulomb montre que la force électrique entre deux charges Q1 et Q2 est proportionnelle à ces charges, mais inversement proportionnelle à R².

Problèmes avec la constante K

• Il existe une ambiguïté concernant le terme K, qui ne représente pas uniquement le milieu des charges, ce qui soulève des questions sur sa signification.

• À l'époque de Coulomb, il n'avait pas une compréhension claire de ce que représentait sa constante en raison du manque d'accès au modèle atomique moderne.

Compréhension actuelle de la permittivité

• La constante K doit intégrer une proportionnalité inverse en 4π et exprimer comment la force électrique varie selon le milieu.

• Le paramètre clé qui décrit le milieu est appelé permittivité (noté ε), essentiel pour comprendre comment la force électrique dépend du milieu.

Caractéristiques de la permittivité

• La permittivité est liée à des phénomènes physiques profonds dans les matériaux, expliquant pourquoi elle varie d'une matière à l'autre.

• En résumé, la permittivité d'un milieu est une constante qui détermine comment la force électrique entre deux charges change selon leur environnement.

Comprendre la Force Électrique

La Relation entre Charge et Permittivité

• La force électrique entre deux charges (Q1 et Q2) est inversement proportionnelle à la permittivité du milieu dans lequel elles se trouvent.

• La constante K inclut une proportionnalité inverse en Y, ainsi qu'une relation avec π, intégrée dans cette constante.

• Mathématiquement, cela se traduit par k = 1 / (4πε), où ε représente la permittivité.

Valeurs de Permittivité des Matériaux

• Un tableau présente les valeurs de permittivité pour divers matériaux utilisés en électronique. L'unité de permittivité est l'inverse de celle de K.

• La permittivité du vide, notée ε0, est une référence importante avec une valeur d'environ 8,85 x 10^-12 C²/(N·m²).

• La permittivité de l'air est presque identique à celle du vide, ce qui permet souvent d'utiliser ε0 comme approximation.

Importance des Céramiques en Électronique

• Les céramiques présentent une large gamme de valeurs de permittivité (de 50 à 10 000), ce qui les rend très utiles en électronique.

• Cette variabilité permet aux ingénieurs d'adapter les propriétés électriques selon les besoins spécifiques des applications électroniques.

Limites de l'Équation de Coulomb

• L'équation actuelle ne fournit qu'un scalaire pour la force électrique, sans information sur sa direction.

• Bien que la force ait une valeur mesurable en Newton, elle doit également être associée à une direction spécifique entre Q1 et Q2.

Introduction aux Vecteurs

• Un scalaire représente uniquement un nombre; il manque donc la notion directionnelle nécessaire pour décrire correctement une force.

• Un vecteur combine module et direction; il est essentiel pour représenter correctement la force électrique entre deux charges.

Comprendre la Force Électrique

Détermination de la Force Électrique

• La force électrique doit être exprimée sous forme de vecteur, en utilisant l'équation de Coulomb pour le module.

• L'équation de Coulomb est formulée comme K * (Q1 * Q2) / R², où K est une constante.

Introduction au Vecteur Unitaire

• Pour déterminer la direction de la force électrique, on utilise un vecteur unitaire qui a un module d'une unité (un Newton).

• Le vecteur unitaire est orienté dans la direction souhaitée, par exemple, de Q2 vers Q1.

Calcul du Vecteur Force Électrique

• En multipliant le module scalaire de la force électrique par le vecteur unitaire, on obtient le vecteur force électrique.

• Le module du vecteur force FE est égal à sa valeur scalaire multipliée par le module du vecteur unitaire u.

Résumé et Conclusion sur les Mathématiques

• La formule finale pour le vecteur force électrique combine la valeur scalaire avec le vecteur unitaire.

• La forme vectorielle de l'équation de Coulomb se résume à F = k * (Q1 * Q2 / R²) * u.

Réflexion sur l'Équation de Coulomb

• Bien que les mathématiques puissent sembler complexes, elles sont essentielles pour comprendre l'électronique.

• L'équation enseignée au lycée peut être simplifiée et clarifiée pour mieux saisir son sens pratique.

Critique des Formes Traditionnelles

• L'enseignement traditionnel présente souvent une version peu intuitive et obsolète de l'équation.

• Les termes historiques comme K peuvent prêter à confusion et ne reflètent pas toujours les concepts modernes.

Compréhension de l'Équation de Coulomb

Développement de l'équation

• L'équation de Coulomb est présentée sous la forme F = k * (Q1 * Q2) / (4 * π * ε) avec un vecteur unitaire. Cette formule est identique à celle apprise à l'école, mais K a été développé.

• La raison pour laquelle cette forme est préférable est qu'elle fournit une compréhension complète de la force électrique, même si elle semble plus complexe.

Importance des termes dans l'équation

• Il est crucial de comprendre le sens des différents termes dans l'équation pour les applications en électronique, même sans maîtriser la démonstration mathématique.

• La force électrique (FE) sur une charge Q1 dépend inversement de la permittivité ε du milieu où se trouvent les charges.

Proportionalité et divergence

• Le premier terme indique que la force électrique est proportionnelle aux charges Q1 et Q2. Plus ces charges sont grandes, plus la force sera forte.

• Le terme 1/(4πR²) montre que la force électrique diminue avec l'augmentation de la distance R entre les charges, ce qui implique une divergence sphérique.

Concepts clés à retenir

• La divergence signifie que plus on s'éloigne d'une source créant une force électrique, plus cette force devient faible. Ce concept sera souvent utilisé en électromagnétisme.

• La direction de la force électrique est déterminée par le vecteur unitaire associé à Q2 lorsque l'on considère la force exercée sur Q1 dans le système constitué des deux charges.

Applications Pratiques en Électronique

Implications dans les circuits électroniques

• Bien que théorique pour certains, il est essentiel d'appliquer ces concepts à des systèmes concrets comme un circuit simple composé d'une pile et d'une ampoule.

• Dans ce circuit basique, il y a des implications significatives liées à la force électrique qui doivent être comprises pour appréhender le fonctionnement global du circuit.

Fonctionnement interne d'une pile

• Dans une pile, une énergie chimique se transforme en énergie électrique par libération d'électrons et création de paires électron-trou. Cela entraîne une accumulation de charges positives et négatives aux extrémités opposées.

• Entre les deux charges situées près de chaque borne de la pile, il existe également une interaction due à la force électrique qui mérite attention pour mieux comprendre le fonctionnement du circuit.

Comprendre la force électrique dans une pile

Interaction entre charges

• La force électrique entre deux charges de signes opposés entraîne une attraction, où les trous sont attirés par les électrons libres et vice versa.

• Les électrons libres ont pour but de "boucher" les trous, illustrant ainsi l'importance de cette interaction dans le fonctionnement des piles.

Paradoxe de la charge constante

• Bien que la charge positive d'une pile soit constante, elle est soumise à une force qui devrait théoriquement l'attirer vers les électrons libres, ce qui pose un paradoxe.

• Pour résoudre ce paradoxe, il faut reconnaître qu'il existe une deuxième force agissant sur les trous, égale en magnitude mais opposée en direction à la force électrique.

Force électromotrice (fem)

• La pile génère une force électromotrice (fem), essentielle pour maintenir la séparation des charges et équilibrer la force électrique.

• La fem est fondamentale pour le fonctionnement des générateurs comme les piles, car elle permet de maintenir une charge constante aux bornes.

Équilibre des forces

• La pile sépare les électrons libres des trous jusqu'à ce que la force électrique soit équilibrée par la fem, permettant ainsi un travail constant fourni par la pile.

• L'énergie dégagée par la réaction chimique dans la pile se traduit par un travail sous forme de fem constante.

Implications extérieures à la pile

• Il est crucial d'explorer comment ces concepts s'appliquent au-delà de la pile elle-même et dans le contexte plus large des circuits électriques.

• Pour mieux comprendre ces implications, on va envisager un cas hypothétique avec une pile isolée dans le vide.

Importance du mouvement des électrons

• Comprendre pourquoi les électrons libres se déplacent dans les circuits électroniques est essentiel; cela sera abordé lors de l'analyse du système avec trois charges.

Comprendre le mouvement d'un électron libre dans une pile

Forces agissant sur l'électron libre

• Dans un système avec une pile, il y a trois charges : la charge de l'électron libre, celle du pôle négatif et celle du pôle positif de la pile.

• L'intérêt principal réside dans le comportement de l'électron libre soumis à des forces électriques générées par ces charges.

• L'électron libre subit deux forces électriques distinctes :

• Une force de répulsion provenant du pôle négatif.

• Une force d'attraction venant du pôle positif.

Comportement sous l'influence des forces

• La première force, due à la charge négative, repousse l'électron vers une direction spécifique. Cette force est relativement forte car l'électron est proche du pôle négatif.

• La seconde force, engendrée par le pôle positif, attire l’électron mais est plus faible en raison de la distance accrue entre eux.

• En combinant ces deux forces, on obtient une force résultante qui dirige finalement l’électron vers le pôle positif.

Trajectoire et mouvement de l’électron

• Au fur et à mesure que l’électron se déplace vers le pôle positif, il continue d'être soumis aux mêmes forces : repoussé par le négatif et attiré par le positif.

• À chaque position qu'il atteint, les forces changent légèrement en fonction de sa distance aux pôles. Cela modifie sa trajectoire au fil du temps.

• Ce processus répétitif permet à l’électron d’avancer progressivement vers le pôle positif pour "boucher un trou".

Importance des forces électriques

• Il est crucial de comprendre que c'est la combinaison des forces électriques qui donne mouvement à notre électron.

• La trajectoire suivie par cet électron peut être visualisée comme une ligne de force qui illustre son chemin depuis le pôle négatif jusqu'au pôle positif.

Anticipation sur les concepts futurs

• Le prochain cours abordera comment déterminer la force électrique exercée sur un électron libre dans tout point autour d'une pile.

• On s'intéressera aux lignes de force présentes dans tout espace autour de la pile pour mieux comprendre leur impact global.

• Cet ensemble de lignes sera désigné comme un champ électrique, concept qui sera exploré plus en détail lors du prochain cours.

Cours de physique : Force électrique et projets futurs

Conclusion du cours

• Le cours se termine avec l'espoir que les participants ont trouvé le contenu intéressant et qu'ils ont acquis des connaissances sur la force électrique, qui est essentielle pour comprendre le mouvement des électrons dans les circuits électroniques.

Remerciements aux abonnés

• L'instructeur exprime sa gratitude envers ses abonnés, notant une augmentation significative de leur nombre et un intérêt inattendu pour ses cours, accompagné de nombreux commentaires positifs.

Engagement envers l'enseignement

• L'instructeur souligne sa passion pour l'enseignement et annonce qu'il continuera à produire d'autres cours malgré son emploi du temps chargé en 2017. Il mentionne également que certains abonnés attendent impatiemment le prochain épisode.

Défis liés au temps

• La préparation d'un cours demande beaucoup de temps (environ une centaine d'heures), ce qui limite la fréquence des publications. L'instructeur demande aux abonnés d'être patients en attendant les prochains cours.

Projets futurs

• En 2017, l'instructeur prévoit de sortir environ dix nouveaux épisodes, tout en continuant à travailler sur un projet lié à un four à fusion. Il reconnaît que le manque de temps est un obstacle majeur à la réalisation de ces projets.

Vœux pour la nouvelle année

• Pour conclure, il souhaite une excellente année 2017 à tous ses abonnés et les invite à rester attentifs aux prochaines publications.