Champs

Les Champs

I - Notion physique champ

En physique, un champ est la représentation d'un ensemble de valeur prises par une grandeur physique en différents points d'une région de l'espace

• Lorsque la grandeur étudiée est scalaire, on parle de champ scalaire (ex : température sur une carte)
• Lorsque la grandeur étudiée est vectorielle, on parle de champ vectoriel (ex : la vitesse du vent sur une carte)

Représentation des champs

• Pour représenter un champ scalaire, les physiciens font figurer sur un plan (de la zone étudiée) les valeurs de la grandeur mesurée en différents points.

• Pour représenter un champ vectoriel, les physiciens font figurer sur un plan les vecteurs correspondant à la grandeur étudiée a la même valeur (on appelle lignes de champ les courbes tracées tangentes aux vecteurs associés à la grandeur mesurée)

Description des champs

Un champ est dit uniforme lorsque la grandeur associée est constante en tout point de l'espace

Remarque : Pour un champ vectoriel uniforme, les lignes de champ sont parallèles entre elles

• Sur une carte de champ scalaire, plus les courbes de niveau sont proches, plus la variation de valeur est importante
• Sur une carte de champ vectoriel, plus les lignes de champ sont proches, plus la norme du vecteur associé à la grandeur est importante

II - Champ magnétique

Il règne un champ magnétique en un point de l'espace lorsqu'une aiguille aimantée mobile, placée en ce point subit une action magnétique.

Le champ magnétique B! est un champ vectoriel dirigé selon l'aiguille aimantée, de son pôle sud vers son pôle nord

A l'extérieur de l'aimant les lignes sont orientées du nord au sud

Champ magnétique terrestre

Il est assimilable à celui créé par un aimant droit situé au centre de la Terre.

Les lignes de champ magnétique terrestres forment des boucles orientées symétriques par rapport à l'axe des pôles magnétiques

III - Champ électrique

Il règne un champ électrostatique en un point de l'espace lorsqu'une charge électrique y subit une action mécanique

Le champ électrique E! est un champ vectoriel dirigé selon la force électrostatique F! qui modélise l'action mécanique agissant sur une charge q

Champ électrostatique dans un condensateur plan

Un condensateur plan est formé de deux lames conductrices planes et parallèles, proches l'une de l'autre et séparées par un isolant

Entre les armatures d'un condensateur plan chargé, il règne un champ électrostatique uniforme

Vecteur E! :

• Perpendiculaire aux armatures
• Orienté de l'armature (+) vers l'armature (-)
• Vecteur d'un champ uniforme en chaque point entre les armatures
• Valeur donnée par :

E! = F! / q

IV - Champ gravitationnel

Le champ gravitationnel qui existe autour d'un objet massique est un champ vectoriel. Il est centripète : toutes les lignes de champ sont orientées vers le centre de l'objet massique à l'origine du champ.

Le vecteur champ gravitationnel terrestre est toujours défini, en chaque point comme le rapport du poids exercé par la Terre sur un objet et de sa masse.

F = G (mAmB) / d²

Champ de pesanteur local

Dans un domaine restreint au voisinage de la Terre, on peut considérer que le champ de pesanteur est uniforme.

Tout objet placé à proximité de la terre subit une force appelée poids et notée P!. À proximité de la Terre, tout objet ponctuel permet de détecter, à l'endroit où il est placé et grâce au poids qu'il subit, un champ vectoriel appelé champ de pesanteur noté g!

g! = P! / m

La valeur de la norme du champ g! à la surface de la Terre est appelée intensité de la pesanteur et vaut g! = 9,81 N/kg

Correction Activité Les champs -

I - C'est l'histoire d'un champ

Questions

1) Les champs évoqués sont :

• Champ de force
• Champ électrostatique
• Champ vectoriel de vitesse
• Champ magnétique

2) La force électrostatique s'exerçant entre deux charge q et qs situées à une distance d l'une de l'autre est donnée par :

Fq/qs = k . ( IqI . IqsI ) / d²

La force électrostatique est représentée :

Les deux vecteurs ont même direction mais sens opposés

3) Le champ électrique créé par la charge source a pour valeur :

E! = F!q/qs / q

ce qui nous donne :

E = Fq/qs / IqI

E = (k . IqI . IqsI) / d² . IqI

E = k . IqsI / d²

Ainsi, elle ne dépend que de la charge source qs et du point de l'espace considéré située par la valeur d. Une charge électrique va génerer un champ électrique dans l'espace. Quel que soit le point considéré de l'espace on peut alors définir une charge électrique.

II - Carte de champs

1) Les grandeurs représentées sur les différentes figures sont :

• Altitude (mètres)
• Température (℃)
• Puissance électrique (MW/heure)
• Vitesse (mètres/seconde)
• Âge (Ma)
• Force pressante (N)

2) Les flèches permettent de représenter :

• la norme
• la dierction
• le sens

3) Certaines grandeurs (comme l'âge ou la température) ne sont pas représentées par des flèches car ce sont des grandeurs scalaires.

4) L'ensemble des valeurs de l'espace d'une grandeur physique consistue son champ

5) Champs scalaires :

• Altitude
• Température
• Puissance
• Âge

Champs vectoriels :

• Vitesse
• Force pressante

III - Le champ magnétique

• La partie rouge d'un aimant correspond au pôle nord de celui-ci
  
• La partie verte d'un aimant correspond au pôle sud de celui-ci

Les lignes de champ vont du pôle nord au pôle sud.

On place une aiguille aimantée autour de l'aimant et on observe sa direction vis à vis des lignes de champ : L'aiguille est tangente aux lignes de champs. La direction du champ magnétique est tangente à la ligne de champ

2) Les limailles de fer se comportent comme des boussoles

3) Les lignes de champs situées entre les branches de l'aimant sont disposées de façon parallèles, le champ B! est donc uniforme

On fait circuler un courant électrique dans un fil conducteur rectiligne à l'aide d'un générateur. On place l'aiguille aimantée en différents endroits autour du fil et on observe son comportement. 

Vue de haut

Un courant qui parcours un conducteur génère un champ magnétique

On utilise une bobine plate :

On utilise un solénoïde :

4) Dans l'expérience d'Oersted, le champ magnétique est du à la circulation du courant dans le fil.

Les lignes de champ sont des cercles concentriques inclus dans un plan perpendiculaire au fil. Pour trouver le sens des lignes de champ il existe trois techniques :

5) À l'intérieur du solénoïde, les lignes de champs sont parallèles, c'est alors un champ uniforme