Chapitres
Quelques exemples de notions à connaître
Mouvement d'une charge dans un champ électrique ou magnétique uniforme et indépendant de t
- Force de Lorentz
- Mouvement de q dans un champ électrique uniforme et indépendant de t
- Mouvement de q dans un champ magnétique uniforme et indépendant de t
Magnétostatique
- Cartes de champ magnétostatique
- Propriétés du champ magnétostatique : plan de symétrie et invariances, flux et circulation : théorème d'Ampère
- Loi de Biot et Savart
- Exemples traités :
- Portion de fil rectiligne,
- Fil infini (2 méthodes),
- Spire : champ sur l'axe,
- Solénoïde de longueur finie puis infini : champ sur l'axe,
- Solénoïde infini : champ en tout point
Oscillateurs mécaniques en RSF (unidirectionnels)
- Équation différentielle vérifiée par l'élongation x pour une excitation E(t) ou une force excitatrice F(t)
- Régime transitoire, permanent et RSF
- Résolution en complexes
- Résonance d'amplitude, de vitesse et de puissance de la force excitatrice
Théorème du moment cinétique
- Moment d'une force en un point ou par rapport à un axe
- Moment cinétique d'un point matériel en un point ou par rapport à un axe
- Théorème du moment cinétique en un point ou par rapport à un axe
- Exemple d'utilisation sur le pendule simple
Forces centrales conservatives
- Définition, exemples
- Propriétés des mouvements à force centrale
Pour aller plus loin : la magnétostatique
Champ électrique
En physique, on appelle champ électrique tout champ vectoriel créé par des particules électriquement chargées. Plus exactement, lorsque nous sommes en présence d'une particule chargée, les propriétés locale de l'espace défini sont alors modifié ce qui permet de définir la notion de champ. En effet, si une autre charge se trouve être dans le dit champ, elle subira ce qu'on appelle l'action de la force électrique qui est exercée par la particule malgré la distance. On dit alors du champ électrique qu'il est le médiateur de la dite action à distance.
Si on se veut plus précis, on peut définir dans un référentiel galiléen défini, une charge q définie de vecteur vitesse v qui subit de la part des autres charges présentes, qu'elles soient fixes ou mobiles, une force qu'on définira de force de Lorentz. Cette force se décompose ainsi :
[ overrightarrow { f } = q left ( overrightarrow { E } + overrightarrow { v } wedge overrightarrow { B } right) ]
avec :
- [ overrightarrow { E } ] le champ électrique. Celui-ci décrit dans ce cas la partie de la force de Lorentz qui est indépendante de la vitesse de la charge
- [ overrightarrow { B } ] le champ magnétique. Celui-ci décrit ainsi la partie de la force exercée sur la charge qui dépend du déplacement de cette même charge dans le référentiel choisi.
De plus, il est important de noter que les deux champs, électrique et magnétique, dépendent du référentiel d'étude.
Avec cette formule, on peut alors définir le champ électrique comme étant le champ traduisant l'action à distance subie par une charge électrique fixe dans un référentiel défini de la part de toutes les autres charges, qu'elles soient mobiles ou fixes.
Mais on peut également définir le champ électrique comme étant toute région de l'espace dans laquelle une charge est soumise à une force dite de Coulomb.
On commence à parler de champ électrostatique lorsque, dans un référentiel d'étude, les charges sont fixes. Notons d'ailleurs que le champ électrostatique ne correspond pas au champ électrique comme décrit plus haut dans cet article puisqu'en effet, lorsque les charges sont en mouvement dans un référentiel, il faut ajouter à ce référentiel un champ électrique qui est induit par les déplacement des charges afin d'obtenir un champ électrique complet.
Mais, le champ électrique reste dans la réalité un caractère relatif puisqu'il ne peut exister indépendamment du champ magnétique. En effet, si on observe la description correcte d'un champ électromagnétique, celui-ci fait intervenir un tenseur quadridimensionnel de champ électromagnétique dont les composantes temporelles correspondent alors à celle d'un champ électrique. Seul ce tenseur possède un sens physique. Alors, dans le cas d'un changement de référentiel, il est tout à fait possible de transformer un champ magnétique en champ électrique et inversement.
Le champ électromagnétique
En physique, on appelle champ électromagnétique la représentation dans l'espace d'une force électromagnétique exercée par des particules chargées. Ce champ représente alors l'ensemble des composantes de la force électromagnétique qui s'appliquent à une particule chargée qui se déplace alors dans un référentiel galiléen.
On peut alors définir la force subit par une particule de charge q et de vecteur vitesse par l'expression suivante :
[ overrightarrow { f } = q left ( overrightarrow { E } + overrightarrow { v } wedge overrightarrow { B } right) ]
avec :
[ overrightarrow { E } ] le champ électrique. Celui-ci décrit dans ce cas la partie de la force de Lorentz qui est indépendante de la vitesse de la charge
[ overrightarrow { B } ] le champ magnétique. Celui-ci décrit ainsi la partie de la force exercée sur la charge qui dépend du déplacement de cette même charge dans le référentiel choisi.
En effet la séparation de la partie magnétique et de la partie électrique de dépend que du point de vue pris selon le référentiel d'étude.
De plus, il peut être intéressant de savoir que les équations de Maxwell régissent les deux composantes couplées, c'est à dire électrique et magnétique, de sorte que toute variation d'une composante induira la variation de l'autre composante.
D'ailleurs, le comportement des champs électromagnétiques se trouve décrit de façon classique par les équations de Maxwell et de manière plus générale par l'électrodynamique quantique.
La façon la plus utilisée afin de définir le champ électromagnétique est celle du tenseur électromagnétique de la relativité restreinte.
Le champ électrostatique
On parle de champ électrostatique lors que les charges qui constitue le champ sont au repos dans le référentiel d'étude. Ce champ est donc déduit de l'expression de la loi de Coulomb, aussi appelée interaction électrostatique.
Complément : Le champ gravitationnel
En physique classique, on appelle champ gravitationnel, ou encore champ de gravitation, un champ qui est réparti dans l'espace et dû à la présence d'une masse qui est alors susceptible d'exercer une influence gravitationnelle sur tout les autres corps pouvant être présent à proximité immédiate ou non.
On peut démontrer que le champ gravitationnel créé en un point quelconque par un corps ponctuel dérive d'un potentiel scalaire dit newtonien.
En physique classique, le champ gravitationnel ou champ de gravitation est un champ réparti dans l'espace et dû à la présence d'une masse susceptible d'exercer une influence gravitationnelle sur tout autre corps présent à proximité (immédiate ou pas). L'introduction de cette grandeur permet de s'affranchir du problème de la médiation de l'action à distance apparaissant dans l'expression de la force de gravitation universelle.
On peut interpréter le champ gravitationnel comme étant la modification de la métrique de l'espace-temps. L'approximation newtonienne est alors valable uniquement dans le cas où les corps présentent une vitesse faible par rapport à celle de la lumière dans le vide et si le potentiel gravitationnel qu'ils créent est tel que le quotient du potentiel gravitationnel sur le carré de la vitesse de la lumière dans le vide est négligeable.
On peut approcher le champ électrique et le champ gravitationnel. En effet, l'expression du champ et du potentiel ne sont différents que d'une constante. De plus, les principaux théorèmes de calculs, celui de la superposition ou de Gauss par exemple, peuvent s'appliquer dans les deux cas. Ce qui les différencie alors est le caractère attractif, donc entre deux charges de signe opposé, ou répulsif, donc entre deux charges de même signe, du champ électrique tandis que le champ gravitationnel ne peut être qu'attractif.
Quelques lois de magnétostatique
Le principe de superposition
Il est possible d'appliquer le principe de superposition à un système de type entrée-sortie si :
- La somme de deux entrées quelconque correspond à la somme des deux sorties correspondantes ;
- Un multiple d'une entrée quelconque correspond le même multiple de la sortie correspondante.
Dans ce cas, c'est-à-dire celui d'un système physique, on peut appeler l'entrée excitation et la sortie réponse.
On obtient alors, en notant les excitations ƒ et les réponses x (donc les mouvements généré par les forces mécaniques ƒ) :
- Lorsque l'on sollicite le système par une entrée, donc une excitation notée ƒ1, une réponse, donc un déplacement, qui sera noté x1 ;
- Lorsque l'on sollicite le système par une entrée, donc une excitation notée ƒ2, une réponse, donc un déplacement, qui sera noté x2 .
Le théorème de Gauss
Le théorème de Gauss permet, en électromagnétisme, de calculer le flux d'un champ électrique à travers une surface qui est fermée et ce grâce à la connaissance des charges électriques que cette surface renferme.
Il s'énonce ainsi :
Le flux du champ électrique à travers une surface S fermée est égal à la somme des charges électriques contenues dans le volume V délimité par cette surface, divisée par la permittivité du vide.
Loi de Coulomb
Coulomb, un physicien français, a établi en 1758 que le champ doit varier comme le carré inverse de la distance entre les charges à une précision de 0,02 sur l'exposant avec l'aide d'un dispositif appelé balance de Coulomb. Cette balance est constituée d'un fil de torsion en argent sur lequel est fixé des matériaux chargés. Ainsi, la loi d'attraction entre deux charges ponctuelles notées q1 et q2 , fixes dans le référentiel défini et séparées par une distance r, se définit ainsi :
- La force est dirigée selon la droite reliant les deux charges ;
- Elle est attractive si les charges sont de signes opposée et répulsive sinon ;
- Son intensité est proportionnelle aux valeurs de q1 et q2 et varie en raison inverse du carré de la distance r.
Il est alors possible de traduire ces caractéristiques en une formule exprimant la force exercée par q1 sur q2 :
[ overrightarrow{ f _ { e } } = \frac { 1 } { 4 pi epsilon _ { 0 } } \frac { q _ { 1 } q _ { 2 } }{ r ^ { 2 } } overrightarrow { e _ { r } } ]
avec :
- [ overrightarrow { e _ { r } } ] le vecteur unitaire de la droite reliant q1 et q2 qui est dirigée dans le sens 1 vers 2
- [ epsilon _ { 0 } ] la permittivité diélectrique du vide
Ce qui peut rendre la compréhension de cette formule compliquée est la notion de force à distance. En effet, comment une charge peut savoir qu'une autre charge ponctuelle se trouve à une certaine distance d'elle et alors exercer sur force sur cette charge en fonction de la distance qui les sépare.
Dans ce cas, tout comme pour un champ gravitationnel, il peut être utile de séparer dans la loi de force ce qui dépend de la charge subissant la force et donc d'obtenir la relation suivante :
[ \begin{cases} overrightarrow { f } = q _ { 2 } left[ \frac { 1 } { 4 pi epsilon _ { 0 } } \frac { q _ { 1 } } { r ^ { 2 } } overrightarrow { e _ { r } } right] = q _ { 2 } overrightarrow { E }
overrightarrow{ E } = \frac { 1 } { 4 pi epsilon } \frac { q _ { 1 } }{ r ^ { 2 } } overrightarrow { e _ { r } } \end{cases} ]
avec :
- [ overrightarrow { E } ] un champ électrique électrostatique créé à partie de la charge q1 au point où se trouve la seconde charge q2
Ainsi, avec cette relation, il est plus aisé d'interpréter l’existence d'une force à distance. En effet, la charge considérée comme "source", c'est-à-dire q1, crée en tout point de l'espace un champ électrique dont la forme est donnée par la relation exprimée ci-dessus, et une charge quelconque considérée comme "test" subira l'effet de ce champ sous la forme d'une force égale au produit de cette charge par le champ électrostatique. Dans ce cas, ce champ électrostatique apparaîtra comme la force entre deux particules ponctuelles fixes par unité de charge.
Pour aller plus loin : les oscillateurs mécaniques
En physique, il est possible de parler d'oscillateur lorsque l'on décrit un système qui évolue de part et d'autre d'un équilibre stable. En effet, les grandeurs qui décrivent le système vont varier. On peut prendre l'exemple du temps, on parle alors de variations pseudo-périodiques si une dissipation d'énergie va atténuer de façon progressive l'amplitude des oscillations.
Mais il est également possible d'observer plusieurs types d'oscillateurs selon le fonctionnement et les effets de ceux-ci.
Les oscillateurs les plus connus sont les oscillateurs mécaniques classique comme le pendule ou la masse ressort mais aussi les oscillateurs électriques bien qu'on puisse trouver des oscillateurs en chimie et en mécanique quantique.
Les différents types d'oscillateurs
Généralités sur les oscillateurs
L'oscillateur libre
L'oscillateur libre, également appelé oscillateur flottant, correspond à un système qui va subir une force qui le poussera vers le retour à une position d'équilibre autour de laquelle celui-ci oscille. On peut illustrer l'exemple de l'oscillateur libre avec le pendule oscillant sous l'effet de la gravité.
L'oscillateur forcé
L'oscillateur forcé correspond à un oscillateur libre additionné d'une force oscillante. C'est notamment le cas de la balançoire lorsque l'on balance ses pieds d'avant en arrière afin d'accélérer le balancement. En effet, ces mouvements vont constituer une force supplémentaire qui, lorsqu'elle est adaptée à la vitesse de la balançoire, va permettre à celle-ci de monter de plus en plus haut.
La balançoire n'est pas le seul oscillateur forcé existant. En effet, on peut considérer que le rayonnement du Soleil va forcer les électrons des molécules de l'atmosphère à osciller, d'où la couleur bleue du ciel.
L'oscillateur auto-entretenu
L'oscillateur auto-entretenu correspond à un oscillateur qui va utiliser une source d'énergie continue et ainsi produire une variation périodique.
Ils peuvent fonctionner grâce à deux fonctions principales qui sont :
- Le gain : il correspond à l'amplification du signal. Cela est permis par la source d'énergie continue.
- Le filtre : celui-ci permet de sélectionner une plage de fréquence au sein desquelles le système pourra osciller.
L'oscillateur quasi-sinusoïdal
On appelle oscillateur quasi-sinusoïdal un oscillateur auto-entretenu dont la représentation graphique des variations périodique s'approche d'une sinusoïde. Cela est notamment possible lorsque l'on utilise un filtre de très bonne qualité qui sélectionnera ainsi une seule bonne fréquence, d'où la sinusoïde.
On peut considérer l'oscillateur à pont de Wien comme étant un oscillateur quasi-sinusoïdal.
Le pont de Wien
Le pont de Wien était, à son époque, un montage en pont permettant de mesurer un composant grâce à la comparaison de ceux qui ont des caractéristiques connues. La technique reposait essentiellement sur la position sur une branche du pont le composant inconnu et de réduire à zéro la tension centrale grâce à l'ajustement des autres branches ou grâce à un changement de fréquence d'alimentation.
On peut ainsi mesurer la capacité d'un composant mais également sa résistance.
Oscillateur à pont de Wien
On appelle oscillateur à pont de Wien un oscillateur qui produit des signaux sinusoïdaux avec une faible distorsion.
Pour comprendre, il faut d'abord rappeler la constitution en deux parties d'un oscillateur :
- Un amplificateur qui, selon les époques, peut être réalisé avec un tube à vide ou avec un ou plusieurs transistors. Aujourd'hui, on trouvera plus facilement des amplificateurs directement intégrés dans une puce électronique.
- Un circuit de réaction qui sera disposé entre la sortie et l'entrée de l'amplificateur afin de mettre en œuvre diverses impédances comme les résistances, les condensateurs, les bobines ou le quartz.
Ce sera alors le circuit de réaction mis en place qui déterminera la fréquence d'oscillation puisque celle-ci se produit à une fréquence donnée où la condition d'oscillation n.Go est égale à 1 où n et Go désignent des nombres complexes représentant le gain du circuit de réaction et le gain de l'amplificateur.
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