Retour sommaire Particule chargée dans un champ électrique uniforme Exercices sur le chapitre

I Etude du mouvement.

chp-E16.gif (2630 octets)

Système : une particule de charge q positive, de masse m et de vitesse initiale chp-E07.gif (872 octets)
Bilan des forces : Force électrique chp-E01.gif (869 octets)= q chp-E04.gif (851 octets) (de même sens que chp-E04.gif (851 octets)car q positive)
Poids chp-E03.gif (848 octets) négligeable devant chp-E01.gif (869 octets) : chp-E03.gif (848 octets) << chp-E01.gif (869 octets)
=> la seule force agissant sur la particule est la force électrique

 

1) Etude dynamique :

Théorème du centre d'inertie :

 chp-E01.gif (869 octets) = m chp-E05.gif (850 octets) donc q chp-E04.gif (851 octets) = m chp-E05.gif (850 octets)

chp-E05.gif (850 octets) = q chp-E04.gif (851 octets) / m

L'accélération est donc un vecteur constant qui dépend de la masse de la particule.

On est dans le cas d'une particule soumise à une force constante : on doit s'attendre à un mouvement uniformément varié, rectiligne ou parabolique.

 

2) Etude cinématique :

Recherchons les équations horaires x (t) et y (t) puis l'équation de la trajectoire y (x).

A t = 0, chp-E08.gif (845 octets)= chp-E09.gif (866 octets) et chp-E06.gif (849 octets)= chp-E07.gif (872 octets)
chp-E05.gif (850 octets) = dchp-E06.gif (849 octets)/dt donc chp-E06.gif (849 octets)= qchp-E04.gif (851 octets)/m t +
chp-E07.gif (872 octets)
chp-E06.gif (849 octets) = dchp-E08.gif (845 octets)/dt donc chp-E08.gif (845 octets)=  qchp-E04.gif (851 octets)/2m t2 + chp-E07.gif (872 octets)t + chp-E09.gif (866 octets)
L'expression de chp-E08.gif (845 octets)montre que la trajectoire se situe dans le plan (O , i , j).

Dans le repère (O , i , j) on a :
chp-E08.gif (845 octets)(x , y) ; chp-E04.gif (851 octets)(0 , -E) ;
chp-E07.gif (872 octets)(vo coschp-E10.gif (846 octets) , vo sinchp-E10.gif (846 octets)) ; chp-E09.gif (866 octets)( 0 , 0)
On obtient donc les deux équations horaires suivantes :

x = (vo coschp-E10.gif (846 octets)) t 
y = - qE/2m t2 + vo sinchp-E10.gif (846 octets) t

et t = x / (vo coschp-E10.gif (846 octets))
On obtient l'équation de la trajectoire :

y = - qE/(2mvo2cos2chp-E10.gif (846 octets)) x2 + (tanchp-E10.gif (846 octets)) x

C'est l'équation d'une parabole.

3) Applications :

Un champ chp-E04.gif (851 octets)permet d'accélérer et/ou de dévier des particules chargées.

L'oscilloscope :
Dans celui-ci, un canon à électrons produit, focalise et accélère les électrons et des doubles plaques horizontales et verticales dévient le faisceau. Les déflexions engendrées (verticale et horizontale) sont proportionnelles aux tensions appliquées entre les plaques.

Les accélérateurs de particules :
Les accélérateurs linéaires (exemple : vivitron) et circulaires (exemple : cyclotron) utilisent des champs chp-E04.gif (851 octets) pour accélérer des particules.

 

II Etude énergétique.

chp-E17.gif (1424 octets)

Théorème de l'énergie cinétique entre A et B :

 chp-E13.gif (997 octets) et Wchp-E01.gif (846 octets) = q UAB = q (VA - VB)
donc chp-E18.gif (913 octets)= q UAB
1/2 m vB2 - 1/2 m vA2 = q (VA - VB)
1/2 m vB2 + q VB = 1/2 m vA2 + q VA  

On définit l'énergie potentielle électrostatique Ep  telle que :
Ep = q V + constante, avec constante nulle si Ep = 0 pour V = 0.


Unités :
Ep en joule (J) si q en Coulomb (C) et V en volt (V).
Une autre unité d'énergie souvent utilisée est l'électron-volt : 1 eV = 1,6.10-19 J.

On peut donc écrire :
EcB + EpB = EcA + EpA ou EmA = EmB ce qui traduit la conservation de l'énergie mécanique.

Application numérique :

Déterminons la vitesse vB acquise par un électron (charge - e = - 1,6.10-19 C ; masse m = 9,1.10-31 kg) qui part de la plaque A avec une vitesse initiale nulle vA = 0 et qui est soumis à une tension UAB = - 1000 V.

L'expression vB2 = vA2 + 2q (VA - VB) / m conduit à la valeur vB = 1,9.107 m/s.


Remarque : la vitesse calculée doit toujours être inférieure à la vitesse de la lumière dans le vide : c = 3.108 m/s...

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