Unit 3 Les champs lectriques gravitationnels et magntiques

Unité 3: Les champs électriques, gravitationnels et magnétiques SPH 4 U

Attentes • Expliquer la nature dynamique des champs électriques et magnétiques. • Faire une expérience sur les champs électriques et magnétiques. • Faire des liens entre les champs électriques et magnétiques, la technologie et la société.

Chapitres • 7: Charges électriques et champs électriques • 8: Champs magnétiques et l’électromagnétisme

Connaissances préalables • Induction avec mise à la terre: http: //www. edumediasciences. com/fr/media/48 -influence-electrostatique

7. 1: La charge électrique et la structure électrique de la matière

Les lois de charges électriques * • Les charges électriques opposées ________. • Les charges électriques de même signe ________. • Les objets chargés peuvent attirer certains objets neutres.

Les lois de charges électriques * • Les charges électriques opposées s’attirent mutuellement. • Les charges électriques de même signe se repoussent. • Les objets chargés peuvent attirer certains objets neutres.

Électrisation • Dans les 3 états de la matière: • Solides • Liquides • Gaz

Électrisation dans les solides * • Noyaux des atomes ne sont pas libres de se déplacer. • Quantité de protons est constante et stationnaire. • Électrons peuvent parfois se déplacer, car plus loin du noyau. • Oui dans les conducteurs. • Non dans les isolants.

Électrisation dans les solides * • Charge électrique = surplus ou manque d’électrons. • Pour charger un objet: ajouter ou enlever électrons. • Ajout: charge négative. • Enlèvement: charge positive. • Voir dessins charges (tableau).

Électrisation dans les liquides * • Molécules (noyaux) d’un liquide sont libres de se déplacer. • Liquide isolant (ex. eau) = molécules neutres. • Si substance ionique dissoute dans l’eau, conducteur. • Animation: https: //www. edumedia-sciences. com/fr/media/670 conduction-electrique-dans-les-solutions

Électrisation dans les gaz * • Air sec: isolant. • Air humide: conducteur (car substances dissoutes).

L’encre électronique * • Application: livres électroniques (ex. Kindle) • Microcapsules claires avec perles blanches et noires. • Perles déplacées par champ électrique sous la plaque inférieure. • Vidéo: https: //www. youtube. com/watch? v=Oqu 1 --Az. M 7 U

Comment charger un objet? 1. Par frottement 2. Par contact 3. Par induction

Chargement par frottement * • Quand on frotte deux objets ensemble, celui qui est le plus bas sur la série électrostatique acquiert des électrons de surplus, et l’autre en perd. • Animation: https: //phet. colorado. edu/sims/html/balloons-and. Verre Retient faiblement les électrons. Matière static-electricity/latest/balloons-and-static-electricity_fr. html Laine Fourrure Soie Ébonite Caoutchouc Or Retient fortement les électrons.

Chargement par contact * • Partage des électrons entre 2 substances.

Chargement par induction * • Réorganisation des charges d’un objet neutre lorsqu’on l’approche d’un objet chargé. • Animation: https: //www. edumedia-sciences. com/fr/media/742 electroscope-electrometre

Le photocopieur * • Vidéo: https: //www. youtube. com/watch? v=HFxo 4 j 1 EWs. A • Tambour recouvert de sélénium • Photoconducteur: conducteur lorsque exposé à la lumière, isolant dans le noir

7. 2: Les forces électriques: la loi de Coulomb

Loi de Coulomb

La loi de Coulomb * •

Qu’est-ce qu’un Coulomb? Situation 1 ampoule de 60 Watts pendant 2 secondes 1 choc électrostatique (ex. en touchant une poignée de porte) Ballon chargé par frottement Charge emmagasinée dans la Terre Charge contenue dans un éclair Nombre de coulombs

Qu’est-ce qu’un Coulomb? Situation 1 ampoule de 60 Watts pendant 2 secondes 1 choc électrostatique (ex. en touchant une poignée de porte) Ballon chargé par frottement Charge emmagasinée dans la Terre Charge contenue dans un éclair Nombre de coulombs 1 0, 00000001 400 000 20

Problème #1 (p. 329) La grandeur de la force électrostatique entre deux petits objets chargés, que l’on peut considérer comme ponctuels, est de 5, 0 x 10 5 N. Calcule la force dans chacune des situations suivantes. a) La distance entre les charges est doublée alors que la taille des charges demeure la même. b) La charge sur l’un des objets est triplée alors que sur l’autre, elle est divisée par deux. c) Les changements en a) et b) se produisent simultanément.

Problème #2 (p. 330) Quelle est la grandeur de la force de répulsion entre deux petites sphères séparées de 1, 0 m, si chacune a une charge de 1, 0 x 10 -12 C?

À votre tour P. 330 #1 -2

Quelles sont les similitudes et les différences entre la loi de Coulomb et la loi de la gravitation universelle? * Loi de Coulomb Loi de la gravitation universelle

Quelles sont les similitudes et les différences entre la loi de Coulomb et la loi de la gravitation universelle? Loi de Coulomb • Peut attirer ou repousser • Constante très large, donc mêmes petites charges créent une force perceptible. Loi de la gravitation universelle • Peut seulement attirer • Constante très petite, donc petite masse = force négligeable. Proportionnel à l’inverse du carré de la distance. Proportionnel au produit d’une autre grandeur physique (charge ou masse) Force le long de la ligne qui lie les deux centres. Distance mesurée à partir du centre de chaque objet.

Problème #3 (p. 332) Les sphères chargées A et B ont des positions fixes (voir figure 6) et des charges de 4, 0 x 10 -6 C et -2, 5 x 10 -7 C, respectivement. Calcule la force nette sur la sphère C, dont la charge est de 6, 4 x 10 -6 C.

Problème #4 (p. 333) Les sphères identiques A, B, C et D, chacune portant une charge d’une grandeur de 5, 0 x 10 -6 C, sont placées aux coins d’un carré de 25 cm de côté. Deux charges diagonalement opposées sont positives et les deux autres sont négatives, comme le montre la figure 7. Calcule la force nette qui agit sur chacune des 4 sphères.

À votre tour! • P. 334 #8 (seulement pour A) • P. 334 #9 (seulement pour 1 sphère)

7. 3: Les champs électriques

Si je mets: • Objet proche de la Terre: ressent une force de gravité • Objet chargé proche d’un autre objet chargé: ressent une force électrique La Terre est l’objet chargé créent chacun un CHAMP DE FORCE.

Champ de force * • Déf: Il existe un champ de force dans une région de l’espace quand un objet approprié placé en un point quelconque dans le champ subit une force.

Représentation visuelle * • Par convention, lignes de positif à négatif. • Par convention, charge d’épreuve est positive.

Simulation • Selon toi, comment seront les lignes du champ électrique produit par: • Deux charges positives • Deux charges identiques • Deux charges négatives • Fais un croquis. Nous allons vérifier.

Champ électrique * •

Applications en biologie * • Poisson électrique • Électrophorèse

Problème #1 (p. 342) Quel est le champ électrique à 0, 60 m d’une petite sphère portant une charge positive de 1, 2 x 10 -8 C? * Unité du champ électrique = N/C

Problème #2 (p. 342) Deux charges, l’une de 3, 2 x 10 -9 C, l’autre de -6, 4 x 10 -9 C, sont séparées de 42 cm. Calcule le champ électrique net au point P, à 15 cm de la charge positive, sur la ligne qui relie les deux charges.

Votre travail • P. 343 #1 -2 -3

7. 4: Le potentiel électrique • Concepts: • Potentiel électrique • Énergie potentielle électrique • Champ électrique

Que remarquez-vous? Avant Après

Le potentiel électrique (en V) * •

La différence de potentiel électrique * • Si on regarde seulement l’énergie dépensée pour bouger une charge de 1 C entre 2 endroits sans commencer à l’infini, on parle de «différence de potentiel électrique » .

Exercice • Quelle est la différence de potentiel d’une charge qui passe de -5 V à -10 V?

Énergie potentielle électrique • Un potentiel de 5 V = ça prend 5 J pour déplacer chaque coulomb de charge jusqu’à cette endroit. Donc, c’est un taux. C’est comme dire que ça coûte 30$ pour chaque élève pour entrer à Wonderland. Mais combien ça coûte pour que toute la classe y ait? • Admettons que ce n’est pas 1 Coulomb de charge, mais plusieurs qu’on déplace. Pour savoir l’énergie totale nécessaire, on calcule l’énergie potentielle électrique.

Énergie potentielle électrique (en J) * •

Le champ potentiel électrique (en N/C) •

Le champ potentiel électrique (en N/C) * •

Résumé Concept Variable Unité

Résumé Concept Potentiel électrique Énergie potentielle électrique Champ potentiel électrique Variable V Ee Unité 1 V = 1 J / C 1 J 1 N/C

Problème #1 (p. 352) • Calcule le potentiel électrique à une distance de 0, 40 m d’une charge ponctuelle sphérique de +6, 4 x 10 -6 C.

Problème #2 (p. 353) • Quelle quantité de travail doit-on produire pour augmenter le potentiel d’une charge de 3, 0 x 10 -7 C de 120 V?

Votre travail • P. 354 #1 -2 (5 mins)

Problème #3 (p. 353) • Dans un champ électrique uniforme, la différence de potentiel entre deux points séparés de 12, 0 cm est de 1, 50 x 102 V. Calcule la grandeur de la force du champ électrique.

Problème #4 (p. 353) • La force du champ électrique entre deux plaque parallèles est de 450 N/C. Les plaques sont raccordées à une pile fournissant une différence de potentiel de 95 V. Quelle est la distance entre les plaques?

Votre travail • P. 354 #3 -4

Application médicale du potentiel électrique * • Cellules du cerveau = neurones

Application médicale du potentiel électrique (suite) * • Signaux traversent les neurones sous forme de potentiel électrique. • Mouvement de main = signaux du cerveau, de neurone en neurone jusqu’au muscle. • Animation: https: //www. edumedia-sciences. com/fr/media/547 -message -nerveux

Application médicale du potentiel électrique (suite) * • Qu’est-ce qui crée le signal électrique? • Différence de potentiel intérieur/extérieur de la cellule nerveuse. Ext = +, Int = - • Si signal fort, portes s’ouvrent et laissent entrer Na+ à l’int. • Animation: https: //www. edumedia-sciences. com/fr/media/223 -lepotentiel-daction

Application médicale du potentiel électrique (suite) *

Application médicale du potentiel d’action (suite) * • Technologie reliée: électrocardiogramme (ECG) • Cœur crée même type de signal électrique • Machine pour lire ces signaux • Diagnostique crise cardiaque, tachycardie, etc. • Vidéo: https: //www. edumedia-sciences. com/fr/media/547 -message-nerveux

Exercice #6 (p. 356) • La différence de potentiel électrique entre l’intérieur et l’extérieur de la membrane cellulaire d’un neurone, dont l’épaisseur est de 5, 0 nm, est typiquement de 0, 070 V. a) Calcule la grandeur du champ électrique dans la membrane. b) Calcule le travail qu’il faut effectuer sur un ion sodium unique, portant une charge de 1, 6 x 10 -19 C, pour le déplacer à travers la membrane de la région de faible potentiel vers la région de potentiel élevé.

Chapitre 8: Champs magnétiques et électromagnétisme

8. 1: Magnétisme naturel et électromagnétisme

Comparaison entre électricité et magnétisme • Vidéo électricité: https: //www. youtube. com/watch? v=GMns. Zu. EE_m 8 • Vidéo magnétisme: https: //www. youtube. com/watch? v=cy 6 kba 3 A 8 v. Y Caractéristiques Électricité statique Magnétisme Particule impliquée Électron ? Processus de fonctionnement Transfert de matière ? Manifestations Attraction ou répulsion ? Charge ou pôle Charge positive ou négative, peut être isolée ? Site supplémentaire: http: //www. fsg. ulaval. ca/opus/scphys 4/conseils/diffi 06. shtml

Comparaison entre électricité et magnétisme • Vidéo électricité: https: //www. youtube. com/watch? v=GMns. Zu. EE_m 8 • Vidéo magnétisme: https: //www. youtube. com/watch? v=cy 6 kba 3 A 8 v. Y Caractéristiques Électricité statique Magnétisme Particule impliquée Électron Atome Processus de fonctionnement Transfert de matière Réorganisation de la matière Manifestations Attraction ou répulsion Charge ou pôle Charge positive ou négative, peut être isolée Pôle nord ou sud, ne peut être isolé, toujours par paire opposée

Loi des pôles magnétiques • Les pôles magnétiques: • Contraires s’attirent. • Identiques se repoussent.

Champ de force magnétique * • Déf: Zone où s’exercent les forces magnétiques autour d’un aimant. Lignes + rapprochées = champ plus ford Convention: du nord au sud.

Champ magnétique de la Terre * • Légèrement incliné p/r axe de rotation de la Terre. • Pôle sud magnétique dans l’hémisphère nord. • Boussole pointe le pôle magnétique.

La théorie des domaines magnétiques A • • Fer Nickel Cobalt Gadolinium B • Cuivre • Plastique

La théorie des domaines magnétiques * • • Matériaux ferromagnétiques Fer Nickel Cobalt Gadolinium Matériaux non ferromagnétiques • Cuivre • Plastique Pourquoi, exactement, les matériaux ferromagnétiques sont-ils attirés par un aimant et pas les autres?

La théorie des domaines magnétiques * • Caractéristiques des matériaux ferromagnétiques: • Chaque atome agit comme un « aimant » . • Atomes groupés par domaine. Même domaine = même orientation des aimants.

La théorie des domaines magnétiques (suite) * • Caractéristiques des matériaux ferromagnétiques (suite): • Si non aimanté: domaines orientés aléatoirement. • Si aimanté: domaines tous alignés.

À votre tour • Lire p. 386 -387 pour faire un résumé des 6 points.

Le principe de l’électromagnétisme * Des charges électriques en mouvement produisent un champ magnétique.

La règle de la main droite pour les conducteurs rectilignes * Si l’on prend un conducteur dans sa main droite en pointant le pouce dans le sens du courant, les doigts repliés pointent dans le sens des lignes du champ magnétique.

La règle de la main droite pour les solénoïdes * Si l’on prend un solénoïde dans sa main droite en pointant ses doigts courbés dans le sens du courant électrique, le pouce pointe dans le sens des lignes du champ magnétique créé le long de son axe.

Solénoïde vs aimant* • Similarités? Différences? Avantages?

Solénoïde vs aimant* • Similarités? Différences? Avantages? • Similarité: champ magnétique (nord, sud, etc. ) • Différence/avantage: solénoïde peut être activé et désactivé

Ton travail • P. 391 #1, 2, 3, 7

8. 2: La force magnétique exercée sur les charges en mouvement

L’expérience d’Oersted Si les électrons en mouvement affectent la boussole, alors le champ magnétique de la boussole doit affecter les électrons en mouvement.

Exemple d’un champ magnétique qui affecte les électrons en mouvement Mais comment mesurer cette force?

La mesure des champs magnétiques Deux composantes: Magnitude Direction

La mesure des champs magnétiques: magnitude * •

La mesure des champs magnétiques: direction * Exercice dessin rose Exercice p. 402 #1 Si charge est négative, majeur est dans le sens différent de la charge.

Intérieur ou extérieur de la page * Vecteur dans la page (Flèche dans la page) Vecteur hors de la page (Flèche hors de la page)

Problème #1 (p. 395) Un électron avec une vitesse de 4, 0 x 106 m/s vers la droite pénètre dans un champ magnétique d’intensité 0, 20 T orienté vers l’intérieur de la page. a) Détermine l’intensité ou le sens de la force magnétique sur l’électron. b) Calcule le rayon de la trajectoire circulaire de l’électron.

Votre travail • P. 396 #1 à 6