Caractéristiques du champ électrique

L'article décrit les principales caractéristiques du champ électrique : potentiel, tension et intensité.

Qu'est-ce qu'un champ électrique

Pour créer un champ électrique, il faut créer une charge électrique. Les propriétés de l'espace autour des charges (corps chargés) diffèrent des propriétés de l'espace dans lequel il n'y a pas de charges. En même temps, les propriétés de l'espace, lorsqu'une charge électrique y est introduite, ne changent pas instantanément : le changement part de la charge et se propage avec une certaine vitesse d'un point de l'espace à un autre.

Dans un espace contenant une charge, des forces mécaniques agissant sur d'autres charges introduites dans cet espace se manifestent. Ces forces ne sont pas le résultat de l'action directe d'une charge sur une autre, mais de l'action à travers un milieu qualitativement modifié.

L'espace autour des charges électriques, dans lequel se manifestent les forces qui agissent sur les charges électriques qui y sont introduites, est appelé champ électrique.

Une charge dans un champ électrique se déplace dans la direction de la force agissant sur elle depuis le côté du champ.L'état de repos d'une telle charge n'est possible que lorsqu'une force externe (externe) est appliquée à la charge qui équilibre la force du champ électrique.

Dès que l'équilibre entre la force extérieure et l'intensité du champ est perturbé, la charge se remet en mouvement. La direction de son mouvement coïncide toujours avec la direction de la plus grande force.

Pour plus de clarté, le champ électrique est généralement représenté par des lignes dites de champ électrique. Ces lignes coïncident avec la direction des forces agissant dans le champ électrique. Dans le même temps, il a été convenu de tracer tellement de lignes que leur nombre pour chaque 1 cm2 de la surface installée perpendiculairement aux lignes était proportionnel à la force du champ au point correspondant.

La direction du champ est généralement considérée comme la direction de l'intensité du champ agissant sur une charge positive placée dans un champ donné. Les charges positives sont repoussées par les charges positives et attirées par les charges négatives. Par conséquent, le champ est dirigé des charges positives vers les charges négatives.

La direction des lignes de force est indiquée sur les dessins par des flèches. La science a prouvé que les lignes de force d'un champ électrique ont un début et une fin, c'est-à-dire qu'elles ne sont pas fermées par elles-mêmes. Sur la base de la direction supposée du champ, nous constatons que les lignes de force commencent par des charges positives (corps chargés positivement) et se terminent par des charges négatives.

Riz. 1. Exemples d'image d'un champ électrique utilisant des lignes de force : a — un champ électrique avec une seule charge positive, b — un champ électrique avec une seule charge négative, c — un champ électrique de deux charges opposées, d — un champ électrique de deux charges identiques

En figue.1 montre des exemples d'un champ électrique représenté à l'aide de lignes de force. Il faut se rappeler que les lignes de champ électrique ne sont qu'un moyen de représenter graphiquement un champ. Il n'y a pas de plus grande substance au concept de ligne de force ici.

La loi de coulomb

La force de l'interaction entre deux charges dépend de la taille et de la disposition mutuelle des charges, ainsi que des propriétés physiques de leur environnement.

Pour deux corps physiques électrifiés, dont les dimensions sont insignifiantes par rapport à la distance entre les corps, la guérison de l'interaction est déterminée mathématiquement comme suit :

où F est la force d'interaction des charges en newtons (N), k - distance entre les charges en mètres (m), Q1 et Q2 - amplitude des charges électriques en coulombs (k), k est le coefficient de proportionnalité, dont la valeur dépend des propriétés du milieu entourant les charges.

La formule ci-dessus se lit comme suit : la force d'interaction entre deux charges ponctuelles est directement proportionnelle au produit des amplitudes de ces charges et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare (loi de Coulomb).

Pour déterminer le facteur de proportionnalité k, utilisez l'expression k = 1 /(4πεεО).

Potentiel de champ électrique

Un champ électrique transmet toujours un mouvement à une charge si les forces de champ agissant sur la charge ne sont pas équilibrées par des forces externes. Cela implique que le champ électrique a une énergie potentielle, c'est-à-dire la capacité de faire un travail.

En déplaçant une charge d'un point de l'espace à un autre, le champ électrique fonctionne, à la suite de quoi l'apport d'énergie potentielle au champ diminue.Si une charge se déplace dans un champ électrique sous l'action d'une force externe agissant à l'opposé des forces du champ, alors le travail n'est pas effectué par les forces du champ électrique, mais par des forces externes. Dans ce cas, l'énergie potentielle du champ non seulement ne diminue pas, mais au contraire augmente.

Le travail effectué par une force externe déplaçant une charge dans un champ électrique est proportionnel à l'amplitude des forces de champ s'opposant à ce mouvement. Le travail effectué dans ce cas par des forces externes est entièrement consacré à l'augmentation de l'énergie potentielle du champ. Pour caractériser le champ du côté de son énergie potentielle, on appelle une quantité appelée potentiel de champ électrique.

L'essence de cette quantité est la suivante. Supposons que la charge positive soit en dehors du champ électrique considéré. Cela signifie que le champ n'a pratiquement aucun effet sur la charge donnée. Laissez une force externe introduire cette charge dans le champ électrique et, surmontant la résistance au mouvement exercée par les forces du champ, déplacez la charge vers un point donné du champ. Le travail effectué par la force, et donc la quantité d'augmentation de l'énergie potentielle du champ, dépend entièrement des propriétés du champ. Par conséquent, ce travail peut caractériser l'énergie d'un champ électrique donné.

L'énergie du champ électrique liée à une unité de charge positive placée en un point donné du champ est appelée potentiel de champ en un point donné.

Si le potentiel est désigné par la lettre φ, la charge par la lettre q et le travail consacré au déplacement de la charge par W, alors le potentiel de champ en un point donné sera exprimé par la formule φ = W / q.

Il s'ensuit que le potentiel du champ électrique en un point donné est numériquement égal au travail effectué par une force externe lorsqu'une charge positive unitaire se déplace hors du champ vers un point donné. Le potentiel de champ est mesuré en volts (V). Si lors du transfert d'un coulomb d'électricité hors du champ vers un point donné, des forces extérieures ont effectué un travail égal à un joule, alors le potentiel en un point donné du champ est égal à un volt : 1 volt = 1 joule / 1 coulomb

Intensité du champ électrique

Dans tout champ électrique, les charges positives se déplacent des points de potentiel supérieur vers les points de potentiel inférieur. Au contraire, les charges négatives se déplacent des points de potentiel inférieur vers les points de potentiel supérieur. Dans les deux cas, le travail se fait au détriment de l'énergie potentielle du champ électrique.

Si nous connaissons ce travail, c'est-à-dire la quantité dont l'énergie potentielle du champ a diminué lorsque la charge positive q se déplace du point 1 du champ au point 2, alors il est facile de trouver la tension entre ces points du champ U1,2 :

U1,2 = A / q,

où A est le travail effectué par les forces de champ lorsque la charge q est transférée du point 1 au point 2. La tension entre deux points du champ électrique est numériquement égale au travail effectué par zéro pour transférer une charge positive unitaire d'un point dans le domaine à l'autre.

Comme on peut le voir, la tension entre deux points du champ et la différence de potentiel entre les mêmes points représentent la même unité physique… Par conséquent, les termes tension et différence de potentiel sont les mêmes. La tension est mesurée en volts (V).

La tension entre deux points est égale à un volt si, lors du transfert d'un coulomb d'électricité d'un point du champ à un autre, les forces du champ font un travail égal à un joule : 1 volt = 1 joule / 1 coulomb

Intensité du champ électrique

Il résulte de la loi de Coulomb que l'intensité du champ électrique d'une charge donnée agissant sur une autre charge placée dans ce champ n'est pas la même en tous points du champ. Le champ électrique en tout point peut être caractérisé par l'amplitude de la force avec laquelle il agit sur une charge positive unitaire placée en un point donné.

Connaissant cette valeur, on peut déterminer la force F agissant sur chaque charge Q. On peut écrire que F = Q x E, où F est la force agissant sur la charge Q placée en un point du champ par le champ électrique, E est la force agissant sur une charge positive unitaire placée au même point du champ. La quantité E numériquement égale à la force subie par une charge positive unitaire en un point donné du champ est appelée intensité du champ électrique.