Première · Physique-Chimie · Spécialité
Mouvement et interactions

Interactions et champs

Charge électrique, force électrostatique (loi de Coulomb) et force gravitationnelle, puis notion de champ : champ de gravitation, champ de pesanteur, lignes de champ et champ électrostatique uniforme d'un condensateur plan.

Charge électriqueLoi de CoulombGravitationChamp vectorielLignes de champCondensateur plan
Capacités exigibles · Programme officiel 2019
  • Décrire qualitativement l'interaction électrostatique entre deux corps chargés et la modéliser par une force.
  • Exploiter la loi de Coulomb et la loi de gravitation universelle pour calculer la valeur d'une force.
  • Représenter la force exercée par un corps sur un autre (direction, sens, valeur).
  • Comparer qualitativement les interactions gravitationnelle et électrostatique.
  • Définir la notion de champ vectoriel ; exprimer le champ de gravitation créé par un corps ponctuel ou sphérique.
  • Représenter un champ vectoriel par des vecteurs et des lignes de champ ; exploiter le champ électrostatique uniforme d'un condensateur plan.
I

Force électrostatique

La charge électrique

Définition · Charge électrique

La charge électrique est une propriété intrinsèque de la matière, portée par des particules élémentaires comme l'électron ($-e$) ou le proton ($+e$).

Elle se note $q$ et s'exprime en coulomb (C). La charge élémentaire vaut $e = 1{,}6\times10^{-19}\ \mathrm{C}$.

Influence électrostatique

Un objet chargé électriquement provoque, à distance, un déplacement de charges à la surface d'un conducteur placé à proximité : c'est l'influence électrostatique. Elle cesse dès qu'on éloigne l'objet chargé.

La loi de Coulomb

Entre deux corps immobiles chargés, modélisés par des points A et B distants de $r=\mathrm{AB}$, il existe une interaction modélisée par une force électrostatique. Soit $\vec u$ le vecteur unitaire dirigé de A vers B.

Loi de Coulomb · force exercée par A sur B
$$\vec F_{A/B}=\dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\,\dfrac{q_A\,q_B}{r^2}\,\vec u$$
$F$ en N · $q_A$, $q_B$ en C · $r$ en m · $\dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}=8{,}99\times10^{9}\ \mathrm{N\cdot m^2\cdot C^{-2}}$ ($\varepsilon_0$ : permittivité électrique du vide)
ChargesSigne de $q_Aq_B$Force
Signes opposés$<0$attractive : $\vec F_{A/B}$ est dirigée vers A
Même signe$>0$répulsive : $\vec F_{A/B}$ est dirigée de A vers B
Ne pas confondre

Les deux corps exercent l'un sur l'autre des forces de même valeur, de même direction et de sens opposés : $\vec F_{A/B}=-\vec F_{B/A}$. La valeur de $F$ est toujours positive : le signe d'une charge sert à déterminer le sens, pas à « diminuer » la valeur.

Exemple résolu · proton et électron de l'atome d'hydrogène

Avec $r=5{,}3\times10^{-11}$ m : $F=8{,}99\times10^{9}\times\dfrac{(1{,}6\times10^{-19})^2}{(5{,}3\times10^{-11})^2}\approx 8{,}2\times10^{-8}\ \mathrm{N}$. Le proton et l'électron, de charges opposées, s'attirent.


II

Force gravitationnelle

Deux corps ponctuels ou sphériques, modélisés par leurs centres A et B, de masses $m_A$ et $m_B$ et distants de $r=\mathrm{AB}$, exercent l'un sur l'autre une force de gravitation.

Loi de gravitation universelle · force exercée par A sur B
$$\vec F_{A/B}=-\,G\,\dfrac{m_A\,m_B}{r^2}\,\vec u$$
$F$ en N · $m_A$, $m_B$ en kg · $r$ en m · $G=6{,}67\times10^{-11}\ \mathrm{N\cdot m^2\cdot kg^{-2}}$
Le signe « − »

Avec $\vec u$ dirigé de A vers B, la force exercée par A sur B est dirigée de B vers A : la force gravitationnelle est toujours attractive.

Exemple résolu · gravitation entre proton et électron

Avec $m_p=1{,}67\times10^{-27}$ kg, $m_e=9{,}11\times10^{-31}$ kg et $r=5{,}3\times10^{-11}$ m : $F_g\approx 3{,}6\times10^{-47}\ \mathrm{N}$. Elle est environ $2\times10^{39}$ fois plus faible que la force électrostatique calculée plus haut.


III

Comparaison des deux forces

Force gravitationnelleForce électrostatique
Grandeur intrinsèquemasse $m$ (kg)charge $q$ (C)
Naturetoujours attractiveattractive (charges opposées) ou répulsive (même signe)
Constante$G=6{,}67\times10^{-11}$ SI$\dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}=8{,}99\times10^{9}$ SI
Directionla droite qui joint les centres des deux corps
Valeurproportionnelle aux masses ou aux charges, inversement proportionnelle à $r^2$
Quelle force domine ?

À l'échelle de l'atome, la force électrostatique l'emporte de très loin. À l'échelle des astres, la matière est globalement neutre : c'est la gravitation qui gouverne le mouvement.

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Interactions fondamentales et notion de champ — cours de première spé
Interaction gravitationnelle, interaction électrostatique, champs : le chapitre en vidéo.

IV

Notion de champ

Définition · Champ

Un objet, par ses propriétés physiques (masse, charge…), modifie les propriétés de l'espace autour de lui : il en résulte un champ. Un objet aux propriétés appropriées subit une force lorsqu'il est placé dans cette région.

Champ vectoriel et lignes de champ

À retenir
  • Un champ vectoriel est représenté par un vecteur en chaque point de l'espace.
  • Cartographier un champ : déterminer ses caractéristiques en plusieurs points, puis le représenter.
  • Une ligne de champ est tangente en chacun de ses points au vecteur champ ; elle est orientée dans le sens du champ.

Champ de gravitation et champ de pesanteur

À cause de sa masse, la Terre crée autour d'elle un champ de gravitation $\vec{\mathcal G}_T$. Au niveau du sol, il est assimilé au champ de pesanteur terrestre $\vec g_T$.

Exemple résolu · valeur de $g$ au sol

$g=\dfrac{G\,M_T}{R_T^2}=\dfrac{6{,}67\times10^{-11}\times5{,}97\times10^{24}}{(6{,}37\times10^{6})^2}\approx 9{,}81\ \mathrm{N\cdot kg^{-1}}$ (ou $\mathrm{m\cdot s^{-2}}$).

Champ de gravitation et champ électrostatique

Champ de gravitationChamp électrostatique
Corps sourcecorps A de masse $m_A$corps A de charge $q_A$
Système placé dans le champcorps B de masse $m_B$, à la distance $d$ de Acorps B de charge $q_B$, à la distance $d$ de A
Force subie par B$\vec F_g=m_B\,\vec{\mathcal G}$$\vec F_e=q_B\,\vec E$
Autre expression de la force$\vec F_g=-G\dfrac{m_B\,m_A}{d^2}\vec u_{A\to B}$$\vec F_e=\dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\dfrac{q_B\,q_A}{d^2}\vec u_{A\to B}$
Expression du champ (par identification)$\vec{\mathcal G}=-G\dfrac{m_A}{d^2}\vec u_{A\to B}$ en $\mathrm{N\cdot kg^{-1}}$ ou $\mathrm{m\cdot s^{-2}}$$\vec E=\dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\dfrac{q_A}{d^2}\vec u_{A\to B}$ en $\mathrm{N\cdot C^{-1}}$ ou $\mathrm{V\cdot m^{-1}}$
Lignes de champconvergentes vers le corps Adivergentes si $q_A>0$, convergentes si $q_A<0$

Champ électrostatique d'un condensateur plan

Entre les plaques A et B d'un condensateur chargé règne un champ électrostatique uniforme : direction, sens et valeur sont les mêmes en tout point. Il est perpendiculaire aux plaques et orienté de la plaque positive vers la plaque négative.

++++−−−−ABChamp E uniforme : de A (+) vers B (−)
Force sur une charge $q$ placée dans un champ $\vec E$
$$\vec F=q\,\vec E$$
$q>0$ : $\vec F$ de même sens que $\vec E$ · $q<0$ : $\vec F$ de sens opposé à $\vec E$
✏️ À vous de jouer

Entre les plaques d'un condensateur, le champ vaut $E=1{,}0\times10^{4}\ \mathrm{N\cdot C^{-1}}$.
1. Reproduire le schéma et représenter $\vec E$ en un point entre les plaques, à l'échelle 1 cm pour $5{,}0\times10^{3}\ \mathrm{N\cdot C^{-1}}$.
2. Représenter des lignes de champ entre les plaques.
3. Calculer la valeur de la force qui s'exerce sur un électron ($q=-1{,}60\times10^{-19}$ C) situé entre les plaques. Dans quel sens se déplace-t-il ?

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Le champ électrostatique — Physique-Chimie 1ère S — Les Bons Profs
Sources, caractéristiques et champ uniforme du condensateur plan.
À retenir
  • Force de gravitation et force électrostatique sont dirigées selon la droite joignant les deux corps ; leur valeur varie en $1/r^2$.
  • La gravitation est toujours attractive ; la force électrostatique est attractive (charges opposées) ou répulsive (même signe).
  • Un champ vectoriel se représente par des vecteurs et des lignes de champ tangentes à ces vecteurs.
  • Dans un condensateur plan, le champ est uniforme, perpendiculaire aux plaques, de la plaque $+$ vers la plaque $-$ ; $\vec F=q\vec E$.

Ressources vidéo

Forces et exercices

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Force et champ électrostatique — exercice
Calculer la valeur d'une force électrostatique.
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Force électrique et champ électrique — exercice corrigé
Niveau 1ère et terminale spécialité.

Champs et lignes de champ

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Champ électrostatique et gravitation
Champ et lignes de champ, fiche de révision et exercice corrigé.
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Le champ de pesanteur — Physique-Chimie 1ère S — Les Bons Profs
Sources, détection et caractéristiques du champ de pesanteur.