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Le
champ
électrique est une grandeur physique qui permet de décrire l'influence
qu'une charge électrique exerce sur
son environnement. Plutôt que de considérer uniquement l'action directe
entre deux charges comme dans la loi de Coulomb, le concept de champ introduit
l'idée qu'une charge crée autour d'elle une modification dans l'espace,
capable d'exercer une force sur toute autre charge qui s'y trouve. Cette
approche est particulièrement utile pour analyser les systèmes comportant
plusieurs charges ou pour comprendre la propagation des interactions électriques.
La notion de champ électrique est à l'oeuvre dans de nombreuses applications
technologiques : elle intervient dans la conception et le fonctionnement
des condensateurs, des tubes cathodiques, des accélérateurs de particules,
des écrans tactiles, ou encore des dispositifs de déviation de faisceaux
électroniques.
Lorsqu'une charge
électrique est présente en un point de l'espace, elle modifie les propriétés
de cet espace de telle manière qu'une autre charge placée dans ce voisinage
subit une force électrostatique. Ce champ représente ainsi une entité
physique qui transmet l'interaction électrique à distance.
Le champ électrique
en un point donné est défini comme la force électrostatique
exercée par unité de charge positive placée en ce point. Autrement dit,
si une charge d'essai (charge test) q0​ , supposée
petite pour ne pas perturber le système, est placée en un point, le champ
électrique
en ce point est donné par la relation :
'
est la force ressentie par la charge d'essai. Le champ électrique est
donc un champ vectoriel dont chaque point est défini par un vecteur,
avec une direction, un sens et une intensité, exprimée en volts par mètre
(V/m) ou en newtons par coulomb (N/C).
La direction du champ
électrique en un point est celle de la force qu'aurait une charge positive
placée en ce point. Ainsi, près d'une charge positive, le champ électrique
est, par convention, dirigé vers l'extérieur, tandis que près d'une
charge négative, il est dirigé vers l'intérieur. Cette représentation
permet de visualiser le champ à l'aide de lignes de champ, qui sont des
courbes tangentes en chaque point au vecteur champ électrique. La densité
de ces lignes reflète l'intensité du champ : plus elles sont rapprochées,
plus le champ est intense.
-
| Lignes
de champ créé par deux charges électriques. - (a) Deux charges négatives,
-q et -q, produisent le champ indiqué. Son aspect est très similaire
à ce que serait celui d'un champ produit par deux charges positives, sauf
que les sens des lignes seraient inversés. Le champ est clairement plus
faible entre les charges. Les forces individuelles sur une charge test
dans cette région sont dans des directions opposées. - (b) Deux charges
opposées, +q et -q, produisent le champ indiqué, qui est plus fort dans
la région entre les charges. |
Pour une charge ponctuelle
Q,
la loi de Coulomb permet d'obtenir l'expression
du champ électrique créé en un point situé à une distance
r
de cette charge. Le champ diminue avec le carré de la distance, tout comme
la force électrostatique :
-
où ke
est la constante de Coulomb et
est le vecteur unitaire dirigé du centre de la charge vers le point considéré.
Dans le cas de plusieurs
charges, le champ électrique total en un point est la somme vectorielle
des champs créés par chaque charge individuelle, conformément au principe
de superposition. Ce principe s'étend également aux distributions continues
de charge, qu'elles soient linéiques, surfaciques ou volumiques, en utilisant
des intégrations pour calculer le champ résultant. Cela permet de traiter
des situations complexes en décomposant le problème en contributions
élémentaires.
Le champ électrique
permet d'expliquer le comportement des conducteurs en équilibre
électrostatique, où le champ à l'intérieur est nul et les charges se
répartissent à la surface. Il intervient également dans la polarisation
des matériaux diélectriques, où les champs internes modifient la distribution
des charges à l'échelle microscopique.
En électrodynamique,
le champ électrique varie dans le temps et interagit avec le champ
magnétique pour former le champ électromagnétique, dont la propagation
donne lieu aux ondes électromagnétiques, comme
la lumière. Les équations de Maxwell,
qui régissent l'évolution des champs électriques
et magnétiques, généralisent la notion
de champ électrique au-delà de l'électrostatique. |
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