Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point de l'espace l'influence exercée à distance par des particules chargées électriquement.
Le champ électrique est l'expression des forces qui résulteraient de l'action à distance de particules électriquement chargées sur une particule test, divisée par la valeur de la charge de cette particule test, de même que le champ gravitationnel par exemple résulte de l'action de particules dotées de masse. Ce champ a, en tout point de l'espace, une direction, un sens, et une grandeur exprimée en volt par mètre (V/m) ou en newton par coulomb (N/C) d'après le Système International.
L'expression du champ électrique est directement issue de l'expression de la force électrostatique donnée par la loi de Coulomb, et dépend du point de l'espace où l'on se place. Dans le cas où l'on ne considère qu'une seule particule chargée Q comme source du champ, celui-ci est orienté des sources vers le point considéré et a pour valeur où Q est la charge électrique, la permittivité du milieu et la distance entre la source et le point considéré.
Pour mesurer l'influence des sources, on peut utiliser une autre particule, elle aussi chargée électriquement avec une charge (l'unité SI de charge électrique est le Coulomb, noté C), qui sert de particule test. Alors si on appelle le champ électrique créé par les sources à l'endroit où se trouve la charge test (on va donner plus bas les détails sur la façon de déterminer ) cette dernière subit une force électrique donnée par
Le champ électrique peut ainsi mettre en mouvement des particules chargées. À la différence du champ magnétique il est capable de les accélérer. Bien que négligeable à une grande échelle (comme par exemple dans la majorité des systèmes planétaires), le champ électrique a un effet prépondérant à des échelles microscopiques, et est utilisé pour l'étude de la matière dans les accélérateurs de particules.
Un champ électrique peut être créé relativement facilement entre deux plaques de condensateur, c’est-à-dire deux plaques dont la tension entre les deux est non nulle. Voir plus bas pour un calcul détaillé.
Il existe une analogie forte entre le champ électrique et le champ gravitationnel : l'expression du champ et du potentiel ne diffèrent que d'une constante, et les principaux théorèmes de calcul (comme celui de superposition ou de Gauss) s'appliquent.
Dans la vie courante[1] ces sources du champ électrique sont la plupart du temps des électrons, chargés négativement, ou des protons, chargés positivement.
On appelle généralement dipôle électrique un ensemble constitué de deux charges de même valeur, de signes opposées, et placées proches l'une de l'autre (du point de vue de l'observateur). Le moment dipolaire est alors le vecteur , où q est la valeur de l'une des charge (positive) et le vecteur allant de la charge négative à la charge positive.
Lorsque la matière se présente sous forme d'atome la charge électrique des électrons compense celle des protons qui en constituent le noyau. Si on se place à une distance importante d'un atome par rapport à sa taille, on parle d'échelle macroscopique, ce dernier est donc assimilable à un corps neutre électriquement. Le champ électrique qu'il créé est donc relativement très faible. En astrophysique par exemple, le champ électrique créé par la matière ordinaire qui constitue les planètes est négligeable devant l'influence exercée par cette même matière par l'intermédiaire de la gravitation. Mais bien que les atomes et les molécules soient neutres vus de loin, les charges positives et négatives ne sont pas localisées au même endroit[2]. Si on se place à une distance de l'ordre de la taille de l'atome ou de la molécule, c'est ce qu'on appelle l'échelle microscopique, on s'aperçoit que cette dissymétrie de disposition des charge engendre ce qu'on appelle un moment dipolaire électrique[3]. Un tel dipole électrique engendre lui aussi un champ électrique mais d'intensité beaucoup plus faible que celle d'une charge électrique. On appelle forces de van der Waals les forces exercées entre les atomes et molécules du fait des champs électriques créés par tous ces dipoles microscopiques.
La notion de champ électrique, bien que naturelle aujourd'hui, est en réalité assez subtile et est étroitement liée à la notion de localité en physique. Il est intéressant de s'attarder dessus un instant.
Si on considère une charge électrique source et une charge test placée en un point de l'espace alors la seule quantité effectivement mesurable expérimentalement est la force électrique de la première sur la seconde. Il est important de réaliser qu'a priori la force électrique est donc définie comme une action à distance d'une charge sur une autre. L'avancée conceptuelle de la notion de champ est la suivante: il est possible de remplacer cette action à distance de par l' existence en tout point de l'espace d'une nouvelle quantité, de nature mathématiquement vectorielle, appelée champ électrique et dont la valeur résume l'influence de en chaque point de l'espace. Pour déterminer l'évolution de la charge test il n'est donc plus besoin de se référer constamment à la charge source située au loin mais seulement de lire l'information contenue localement dans le champ électrique à l'emplacement de . La force est alors obtenue selon l'équation
Ce principe de localité n'est absolument pas anodin. En particulier une conséquence non-triviale de celui-ci est que si on considère deux configurations de sources électriques et que par ailleurs on peut montrer qu'en un certain point de l'espace les champs électriques créés par ces deux distributions sont les même alors nécessairement l'effet de ces deux jeux de source en ce point sont absolument indistinguables.
Un exemple de situation où la notion de champ, ou de façon équivalente la localité de la théorie électromagnétique, prend toute son ampleur apparait lorsque se pose la question de déterminer les propriétés de transformation d'un champ électrostatique sous les transformations de Lorentz[4]: considérons un boost de Lorentz donné par un vecteur vitesse et la décomposition du champ électrique . Ce champ est créé par une distribution arbitraire de sources. Par localité, en se limitant au point on peut remplacer la distribution de charges par un condensateur plan contenant et créant un champ électrique uniforme égal à en tout point intérieur à son enceinte(on note la densité surfacique de charge associée).
Supposons d'abord que se trouve dans le plan de cette distribution surfacique fictive (ce qui est le cas si le champ électrique est transverse au mouvement) on en déduit que dans le nouveau référentiel,
par contraction des longueurs, avec , et donc[5]
Si par contre le champ est longitudinal alors la distribution surfacique des charges fictives est transverse et donc inaffectée par le changement de référentiel et alors
Dans le cas le plus général d'une direction quelconque on a alors par principe de superposition
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On a donc déduit très simplement le champ électrique dans le nouveau référentiel sans jamais se poser la question de la distribution des sources réelles dans le nouveau référentiel (si la distribution d'origine était compliquée alors reproduire ce résultat de façon directe serait très difficile en général). Insistons enfin encore une fois sur l'absence de champ magnétique dans le référentiel original pour dériver ce résultat.
Les quelques exemples qui suivent sont des applications simples du théorème de Gauss.
Soit une charge ponctuelle q située en un point O. Soit un point de l'espace M. Le champ électrique que provoque q en M vaut :