Champ électrique - Définition et Explications

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Introduction

Représentation du champ électrique en quelques points de l'espace dû à une charge élémentaire postive.
Champ électrique associé à son propagateur qu'est le photon (En physique des particules, le photon (souvent symbolisé par la lettre γ — gamma)...).
Michael Faraday (Michael Faraday (Newington, 22 septembre 1791 - Hampton Court,...) introduisit la notion de champ électrique (En physique, on désigne par champ électrique un champ créé par des particules...).

En physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...), on désigne par champ électrique un champ créé par des particules électriquement chargées. Un tel champ permet de déterminer en tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) point (Graphie) de l'espace la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) électrique exercée à distance par ces charges. Dans le cas de charges fixes dans le référentiel d'étude, le champ électrique est appelé champ électrostatique. Lorsque les charges sont en mouvement dans ce référentiel, il faut y ajouter un champ électrique induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de...) dû aux déplacements des charges pour obtenir le champ électrique complet.

Description sommaire

Illustration des vecteurs de champ électrique (en bleu) entre une charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) positive (en rouge) et une charge négative (en vert)
Diagrammes de lignes de champs entre deux charges de mêmes signe (gauche) et deux charges de signe opposé ( En mathématique, l'opposé d’un nombre est le nombre tel que, lorsqu’il est à...) (droite). La force qui en résulte est répulsive pour le premier et attractive pour le deuxième.

Le champ électrique est le champ vectoriel qui résulterait de l'action à distance de particules électriquement chargées sur une particule test de charge unité au repos dans le référentiel d'étude. C'est donc la force subie par la particule au repos divisée par la charge de cette particule. Il s'agit d'un champ vectoriel qui à tout point de l'espace associe une direction, un sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...), et une grandeur (amplitude). La norme (Une norme, du latin norma (« équerre, règle ») désigne un...) de ce vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet...) s'exprime en volt par mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du...) (V/m) ou en newton par coulomb (N/C) dans le système international d'unités.

La portée du champ électrique est théoriquement infinie, ses valeurs en tout point dépendant de la distribution de charges ou de la nature des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) remplissant l'espace. Noté généralement par \vec{E}\,, sa propagation est régie par les équations de Maxwell (Les équations de Maxwell, aussi appelées équations de Maxwell-Lorentz, sont des lois...). Historiquement il fut introduit au milieu du XIXe siècle par Michael Faraday pour expliquer dans ses expériences certaines actions à distance, cette interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) est aujourd'hui reconnue comme portée par le photon.

Associé au champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...), il forme le champ électromagnétique (Un champ électromagnétique est la représentation dans l'espace de la force...) qui est à la base d'une des quatre interactions fondamentales de l'univers : l'interaction électromagnétique.

Cas de particules en mouvement

Lorsque les particules chargées qui créent le champ sont en mouvement dans le référentiel d'étude il convient d'ajouter au champ électrostatique un champ électrique induit Ei dû au mouvement de ces charges. Ce champ électrique induit est directement relié au champ magnétique B créé par ces charges en mouvement par l'intermédiaire du potentiel vecteur A

\vec{E}_i = - \frac{\partial \vec{A}}{\partial t}\vec{B} = \vec{rot} \vec{A}

le champ électrique total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un...) est alors

\vec{E} = -\overrightarrow{\mathrm{grad}}~V - \frac{\partial \vec{A}}{\partial t}

C'est ce champ qu'il faut prendre en compte dans le cas général pour exprimer la force de Lorentz (En physique, la force de Lorentz désigne :).

Champ électrostatique

Lorsque les charges qui créent le champ sont au repos dans le référentiel d'étude on parle de champ électrostatique. Ce champ est alors directement déduit de l'expression de la loi de Coulomb (En physique, il existe deux lois de Coulomb, nommées en l'honneur du physicien français Charles...) (ou interaction électrostatique).

Expression du champ électrostatique créé par une charge ponctuelle Q

L'expression du champ électrique est directement issue de l'expression de la force électrostatique donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire,...) 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  E = \frac{1}{4 \pi \epsilon}\frac{Q}{r^2} Q désigne la charge électrique (La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière qui respecte le principe de...), \epsilon\, la permittivité (En électromagnétisme, la permittivité ε d'un matériau est le rapport D/E du...) du milieu et r\, la distance entre la source et le point considéré.

Mesure effective

Pour mesurer l'influence des sources, on peut utiliser une autre particule, elle aussi chargée électriquement avec une charge q\, (l'unité SI de charge électrique est le Coulomb, noté C), qui sert de particule test. Alors si on appelle \vec{E}\, 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 \vec{E}) cette dernière subit une force électrique \vec{F}_e donnée par

\vec{F}_e = q \cdot \vec{E}

Relation avec le potentiel électrostatique

Le champ électrostatique est directement relié au potentiel électrique (Le potentiel électrique est l'une des grandeurs définissant l'état électrique d'un point de...) V par la formule :

\vec{E} = -\overrightarrow{\mathrm{grad}}~V

on dit que le champ électrique dérive du potentiel électrique par l'intermédiaire d'un gradient.

Effets

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 (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un...) devant l'interaction gravitationnelle car la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) est globalement neutre électriquement (c'est le cas de 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 (Un condensateur est un composant électronique ou électrique dont l'intérêt de base est de...), c’est-à-dire deux plaques dont la tension (La tension est une force d'extension.) entre les deux est non nulle. Voir plus bas pour un calcul détaillé.

Analogie avec le champ gravitationnel

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 (En mécanique quantique, le principe de superposition stipule qu'un même état quantique peut...) ou de Gauss) s'appliquent. La principale différence tient au fait que le champ électrique peut être attractif (entre deux charges de signe opposé) ou répulsif (entre deux charges de même signe) alors que le champ gravitationnel est purement attractif.

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