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Interactions entre chargesToute matière contient des charges électriques portées par les protons (positives) et les électrons (négatives). La charge se mesure en coulomb (C) ; la plus petite charge isolée est la charge élémentaire e = 1,6 × 10⁻¹⁹ C. Deux charges exercent l'une sur l'autre une force attractive si elles sont de signes opposés, répulsive si elles sont de même signe. Cette force, décrite par la loi de Coulomb, diminue rapidement quand la distance augmente, car elle est inversement proportionnelle au carré de la distance. Dans le vide ou l'air, on utilise k ≈ 9 × 10⁹ N·m²·C⁻².
📢 Rappel
Un électron porte une charge -e = -1,6 × 10⁻¹⁹ C ; un proton porte +e.
📖 Définition
La charge électrique est une grandeur scalaire qui caractérise la capacité d'un corps à interagir électriquement.
⭐ À retenir
La force de Coulomb est proportionnelle au produit des charges et inversement proportionnelle à r².
💡 À retenir : Des charges de signes opposés s'attirent ; des charges de même signe se repoussent.
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Cartographier l'influenceUne charge source Q modifie les propriétés de l'espace autour d'elle : on dit qu'elle crée un champ électrique. Le champ électrique \vec{E} est une grandeur vectorielle : en un point, il indique la direction et le sens de la force que subirait une charge d'essai positive placée en ce point. Il s'exprime en volt par mètre (V/m) ou en newton par coulomb (N/C). Une charge q placée dans un champ \vec{E} subit une force \vec{F} = q \vec{E} ; si q est positive, la force a le sens du champ, si q est négative, elle est opposée. Les lignes de champ sortent des charges positives et entrent dans les charges négatives.
📖 Définition
Le champ électrique \vec{E} en un point est la force électrique subie par une charge de +1 C placée en ce point.
🔍 Exemple
Près d'une plaque chargée positivement, le champ pointe vers l'extérieur de la plaque.
💡 À retenir : Le champ électrique indique la force par unité de charge : \vec{E} = \vec{F}/q.
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Énergie par unité de chargeLe potentiel électrique V en un point traduit l'énergie potentielle électrique que posséderait une charge unité placée en ce point. Il se mesure en volt (V) ; une différence de potentiel entre deux points A et B est une tension U_AB = V_A - V_B. On peut comparer le potentiel à une altitude électrique : une charge positive a tendance à se déplacer spontanément vers les potentiels plus bas, tout comme une masse descend vers une altitude plus faible. Pour une charge ponctuelle Q, le potentiel à une distance r est donné par V = k Q / r, avec la même constante k que pour Coulomb. Dans un circuit, la tension est la différence de potentiel qui met les charges en mouvement.
📢 Rappel
L'énergie potentielle de pesanteur dépend de l'altitude ; par analogie, l'énergie potentielle électrique dépend du potentiel.
⭐ À retenir
Une charge positive se déplace naturellement des potentiels élevés vers les potentiels faibles.
💡 À retenir : La tension U_AB est une différence de potentiel : U_AB = V_A - V_B.
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Du condensateur aux oragesEntre deux plaques parallèles portées à des potentiels différents, le champ électrique est uniforme : il a la même direction, le même sens et la même valeur en tout point. Sa valeur est donnée par E = U / d, où U est la tension entre les plaques et d la distance qui les sépare. Une charge placée dans ce champ subit une force constante, ce qui peut l'accélérer, comme dans un accélérateur de particules ou un tube cathodique. Les condensateurs stockent de l'énergie dans le champ entre leurs armatures. Au quotidien, on retrouve l'électrostatique dans les écrans tactiles, les photocopieurs, les filtres à particules et les paratonnerres.
🔍 Exemple
Un paratonnerre crée un champ local intense à sa pointe, ionise l'air et guide la décharge vers le sol.
⭐ À retenir
Un champ uniforme règne entre deux plaques parallèles soumises à une tension constante.
💡 À retenir : Dans un champ uniforme, la valeur du champ est E = U / d.