Champ électrique créé par un dipôle électrique

Calcul du champ électrique créé par un dipôle électrique

Calcul du champ électrique créé par un dipôle électrique

Contexte : Le Modèle Fondamental de la Polarité

Un dipôle électriqueEnsemble de deux charges électriques de même valeur mais de signes opposés, séparées par une faible distance. est l'une des distributions de charges les plus importantes en physique. Il est constitué de deux charges de même valeur absolue \(q\) mais de signes opposés, séparées par une distance \(d\). Ce modèle simple permet de décrire de nombreux systèmes physiques, de la molécule d'eau (H₂O) aux antennes émettrices. Contrairement à une charge ponctuelle unique dont le champ décroît en \(1/r^2\), le champ d'un dipôle a un comportement plus complexe et diminue plus rapidement avec la distance. Cet exercice a pour but de calculer le champ électrique en un point précis de l'espace par application du principe de superpositionLe champ électrique total créé par plusieurs charges en un point est simplement la somme vectorielle des champs créés par chaque charge individuelle..

Remarque Pédagogique : Cet exercice est une application directe de l'addition vectorielle. Il est essentiel de ne pas simplement additionner les intensités des champs, mais de décomposer les vecteurs et d'additionner leurs composantes pour trouver le champ résultant.


Objectifs Pédagogiques

  • Appliquer le principe de superposition pour des champs électriques.
  • Calculer la norme du champ créé par une charge ponctuelle.
  • Décomposer un vecteur en ses composantes cartésiennes.
  • Effectuer une somme vectorielle pour trouver un champ résultant.
  • Analyser les symétries pour simplifier un problème.

Données de l'étude

On considère un dipôle électrique constitué d'une charge \(q_A = +q\) en A(-a, 0) et d'une charge \(q_B = -q\) en B(a, 0). On souhaite déterminer le champ électrique total \(\vec{E}_M\) au point M(0, y) situé sur l'axe médiateur du dipôle.

Configuration du Dipôle Électrique
x y + A(-a,0) - B(a,0) M(0,y)

Données numériques :

  • Valeur de la charge : \(q = 1 \, \text{nC}\)
  • Demi-distance entre les charges : \(a = 3 \, \text{cm}\)
  • Position du point M : \(y = 4 \, \text{cm}\)
  • Constante de Coulomb : \(k \approx 9 \times 10^9 \, \text{N} \cdot \text{m}^2 \cdot \text{C}^{-2}\)

Questions à traiter

  1. Par un argument de symétrie, déterminer la direction du champ électrique total \(\vec{E}_M\).
  2. Calculer la distance \(r\) entre chaque charge et le point M, puis calculer la norme \(E_A\) (ou \(E_B\)) du champ créé par une seule charge en M.
  3. Calculer la norme du champ électrique total \(E_M\) au point M.

Correction : Calcul du champ électrique créé par un dipôle électrique

Question 1 : Direction du Champ Total par Symétrie

Principe
+q -q M EA EB ETotal

La charge \(q_A\) (positive) crée en M un champ \(\vec{E}_A\) qui la fuit (dirigé de A vers M). La charge \(q_B\) (négative) crée en M un champ \(\vec{E}_B\) qui pointe vers elle (dirigé de M vers B). Le champ total est \(\vec{E}_M = \vec{E}_A + \vec{E}_B\). En raison de la symétrie de la configuration, les composantes verticales des deux champs (\(E_{Ay}\) et \(E_{By}\)) sont égales et de sens opposé, elles s'annulent donc. Les composantes horizontales (\(E_{Ax}\) et \(E_{Bx}\)) sont toutes deux dirigées vers la droite et s'additionnent. Le champ total \(\vec{E}_M\) est donc purement horizontal, dirigé de la gauche vers la droite.

Remarque Pédagogique

Point Clé : L'analyse de symétrie est la première étape de tout problème de physique. Elle permet souvent de simplifier considérablement les calculs. Ici, elle nous donne la direction du vecteur final avant même tout calcul.

Formule(s) utilisée(s)
\[ \vec{E}_M = \vec{E}_A + \vec{E}_B \]
Donnée(s)
  • Symétrie de la configuration géométrique.
  • Signes opposés des charges \(q_A\) et \(q_B\).
Calcul(s)

Pas de calcul numérique. C'est une déduction qualitative basée sur la construction des vecteurs et la symétrie.

Points de vigilance

Ne pas oublier la nature vectorielle. Le raisonnement ne fonctionne que parce qu'on additionne des vecteurs. Si on ne considérait que les normes, on ne pourrait pas conclure sur l'annulation des composantes verticales.

Le saviez-vous ?
Résultat : Le champ électrique total \(\vec{E}_M\) est horizontal et dirigé selon l'axe (+x).

Question 2 : Norme du Champ d'une Seule Charge

Principe
aO y r AM r² = a² + y²

Pour calculer la norme du champ \(E_A\) (ou \(E_B\), qui est la même car les charges ont la même valeur absolue et les distances sont identiques), on utilise la loi de Coulomb \(E = k|q|/r^2\). Il faut d'abord calculer la distance \(r = AM = BM\) en utilisant le théorème de Pythagore dans le triangle OAM.

Remarque Pédagogique

Point Clé : Ne pas confondre la distance \(a\) (la moitié de la séparation du dipôle) et la distance \(r\) (la distance entre une charge et le point M). C'est une erreur fréquente.

Formule(s) utilisée(s)
\[ r = \sqrt{a^2 + y^2} \]
\[ E_A = E_B = k \frac{|q|}{r^2} = k \frac{q}{a^2+y^2} \]
Donnée(s)
  • \(q = 1 \, \text{nC} = 1 \times 10^{-9} \, \text{C}\)
  • \(a = 3 \, \text{cm} = 0.03 \, \text{m}\)
  • \(y = 4 \, \text{cm} = 0.04 \, \text{m}\)
  • \(k \approx 9 \times 10^9 \, \text{SI}\)
Calcul(s)

1. Calcul de la distance r :

\[ \begin{aligned} r &= \sqrt{(0.03)^2 + (0.04)^2} \\ &= \sqrt{0.0009 + 0.0016} = \sqrt{0.0025} \\ &= 0.05 \, \text{m} \end{aligned} \]

2. Calcul de la norme E_A :

\[ \begin{aligned} E_A &= (9 \times 10^9) \times \frac{1 \times 10^{-9}}{(0.05)^2} \\ &= \frac{9}{0.0025} \\ &= 3600 \, \text{N/C} \end{aligned} \]
Points de vigilance

Le triangle 3-4-5. Ce triangle rectangle est un classique. Reconnaître que \(3^2+4^2=9+16=25=5^2\) permet de trouver la distance \(r=5\) cm ou 0.05 m très rapidement, sans même avoir besoin d'une calculatrice.

Le saviez-vous ?
Résultat : La norme du champ créé par chaque charge en M est de 3600 N/C.

Question 3 : Norme du Champ Total \(E_M\)

Principe
M O θ EA EB ETotal ETotal = 2 EA cos(θ)

Comme vu à la question 1, les composantes verticales s'annulent. Le champ total est la somme des deux composantes horizontales : \(E_M = E_{Ax} + E_{Bx}\). Par symétrie, \(E_{Ax} = E_{Bx}\). La composante \(E_{Ax}\) se trouve par projection : \(E_{Ax} = E_A \cos(\theta)\), où \(\theta\) est l'angle entre le vecteur \(\vec{E}_A\) et l'axe horizontal. Dans le triangle OAM, on a \(\cos(\theta) = a/r\).

Remarque Pédagogique

Point Clé : La trigonométrie est l'outil indispensable pour projeter des vecteurs. Savoir identifier le bon triangle rectangle et les relations cosinus/sinus est une compétence fondamentale.

Formule(s) utilisée(s)
\[ E_M = 2 \times E_A \times \cos(\theta) \quad \text{avec} \quad \cos(\theta) = \frac{a}{r} \]
Donnée(s)
  • \(E_A = 3600 \, \text{N/C}\)
  • \(a = 0.03 \, \text{m}\)
  • \(r = 0.05 \, \text{m}\)
Calcul(s)
\[ \begin{aligned} \cos(\theta) &= \frac{0.03}{0.05} = 0.6 \\ E_M &= 2 \times 3600 \times 0.6 \\ &= 4320 \, \text{N/C} \end{aligned} \]
Points de vigilance

Ne pas oublier le facteur 2. Le champ total est la somme des composantes de \(\vec{E}_A\) ET de \(\vec{E}_B\). Comme elles sont égales, on multiplie simplement par deux.

Le saviez-vous ?
Résultat : Le champ électrique total au point M a une norme de 4320 N/C.

Simulation Interactive du Champ du Dipôle

Faites varier la charge \(q\) et la position \(y\) du point M pour voir comment le champ résultant évolue.

Paramètres
Champ Total E 4320 N/C
Visualisation

Pièges à Éviter

  • Additionner les normes : L'erreur la plus grave est d'additionner les intensités \(E_A\) et \(E_B\) directement. Le champ est un vecteur, on doit faire une somme vectorielle.
  • Erreur de trigonométrie : Confondre cosinus et sinus lors de la projection des vecteurs. Un schéma clair est indispensable pour éviter cela.
  • Oublier la symétrie : Ne pas voir que les composantes verticales s'annulent mène à des calculs beaucoup plus longs et complexes.

Pour Aller Plus Loin : Le Moment Dipolaire

Caractériser le dipôle : On définit le moment dipolaireVecteur qui caractérise un dipôle. Il est dirigé de la charge négative vers la charge positive et sa norme est p = qd. par le vecteur \(\vec{p} = q\vec{AB}\), où \(\vec{AB}\) est le vecteur allant de la charge -q à la charge +q. Pour des points très éloignés du dipôle (\(r \gg a\)), on peut montrer que le champ électrique décroît en \(1/r^3\), beaucoup plus vite que pour une charge seule. L'intensité du champ dépend alors directement de la norme du moment dipolaire \(p = q \times (2a)\).


Le Saviez-Vous ?

Les fours à micro-ondes fonctionnent en exploitant le moment dipolaire des molécules d'eau. L'onde électromagnétique du four fait osciller les molécules d'eau (qui sont des dipôles permanents) à très haute fréquence. Cette agitation moléculaire produit de la chaleur qui cuit les aliments.


Foire Aux Questions (FAQ)

Que se passe-t-il si le point M n'est pas sur l'axe médiateur ?

Le calcul devient plus complexe. Les distances \(r_A\) et \(r_B\) sont différentes, les normes \(E_A\) et \(E_B\) ne sont plus égales, et les composantes verticales ne s'annulent plus. Il faut alors calculer chaque composante (\(x\) et \(y\)) de chaque vecteur, puis les additionner séparément pour trouver les composantes du vecteur total.

Et si les deux charges étaient positives ?

Si les deux charges étaient positives, les deux champs \(\vec{E}_A\) et \(\vec{E}_B\) seraient fuyants. Les composantes horizontales s'annuleraient par symétrie, et les composantes verticales s'ajouteraient. Le champ total serait donc purement vertical, dirigé vers le haut.


Quiz Final : Testez vos connaissances

1. Sur l'axe qui relie les deux charges, entre A et B, le champ total est...

2. Si on double la valeur de la charge q (et -q), la norme du champ total en M est...


Glossaire

Dipôle Électrique
Système formé par deux charges ponctuelles de même valeur absolue mais de signes opposés, séparées par une distance fixe.
Principe de Superposition
Le champ électrique (ou le potentiel) total créé par un ensemble de charges est la somme vectorielle (ou algébrique pour le potentiel) des champs (ou potentiels) créés par chaque charge individuelle.
Vecteur
Objet mathématique qui possède une norme (longueur), une direction et un sens. Le champ électrique et la force sont des vecteurs.
Axe Médiateur
Droite perpendiculaire à un segment et passant par son milieu.
Calcul du champ électrique créé par un dipôle électrique

D’autres exercices d’Electricité Statique : 

Fonctionnement d’un électroscope
Fonctionnement d’un électroscope

Le fonctionnement d'un électroscope pour la mesure de charge Le fonctionnement d'un électroscope pour la mesure de charge Contexte : Visualiser l'Invisible L'électroscope est l'un des plus anciens instruments de mesure électrique. Son principe est simple mais puissant...

Etapes du phénomène de la foudre
Etapes du phénomène de la foudre

Expliquer les étapes du phénomène de la foudre Expliquer les étapes du phénomène de la foudre Contexte : Une Giga-Étincelle Naturelle La foudre est l'un des phénomènes naturels les plus puissants et spectaculaires. Il s'agit d'une décharge électrostatique massive qui...

Calcul du travail des forces électrostatiques
Calcul du travail des forces électrostatiques

Physique : Calcul du travail des forces électrostatiques Calcul du travail des forces électrostatiques Contexte : L'Énergie d'un Déplacement Électrique Lorsqu'une charge électrique se déplace dans un champ électriqueRégion de l'espace où une charge électrique est...

Modélisation simplifiée d’un paratonnerre
Modélisation simplifiée d’un paratonnerre

Modélisation simplifiée d'un paratonnerre Modélisation simplifiée d'un paratonnerre Contexte : Le Pouvoir des Pointes Les orages génèrent d'immenses différences de potentiel entre les nuages et le sol, créant un champ électriqueRégion de l'espace où une charge...

Charge sur un conducteur en équilibre
Charge sur un conducteur en équilibre

Étude de la distribution de charge sur un conducteur en équilibre Étude de la distribution de charge sur un conducteur en équilibre Contexte : Où vont les charges ? Lorsqu'on dépose un excès de charge électrique sur un conducteurMatériau dans lequel les charges...

Principe de la cage de Faraday
Principe de la cage de Faraday

Le principe de la cage de Faraday et ses applications Le principe de la cage de Faraday et ses applications Contexte : Le Bouclier Électrique Invisible Une cage de Faraday est une enceinte conductrice (pleine ou grillagée) qui protège ce qui se trouve à l'intérieur...

Pouvoir des pointes et effet couronne
Pouvoir des pointes et effet couronne

Comprendre le pouvoir des pointes et l'effet couronne Comprendre le pouvoir des pointes et l'effet couronne Contexte : Pourquoi les Paratonnerres sont-ils Pointus ? Sur un conducteurMatériau dans lequel les charges électriques (généralement des électrons) peuvent se...

Phénomène d’influence électrostatique
Phénomène d’influence électrostatique

Expliquer le phénomène d'influence électrostatique Phénomène d'Influence Électrostatique Contexte : L'Action à Distance sans Contact Comment un corps chargé peut-il attirer un objet neutre, comme une règle en plastique frottée qui attire des petits morceaux de papier...

Champ Électrique d’un Fil Infini
Champ Électrique d’un Fil Infini

Champ Électrique d'un Fil Infini par le Théorème de Gauss Champ Électrique d'un Fil Infini par le Théorème de Gauss Contexte : Un Raccourci Puissant pour les Problèmes Symétriques Calculer le champ électrique en additionnant les contributions de chaque petite charge...

Circuit d’Éclairage LED avec Interrupteur
Circuit d’Éclairage LED avec Interrupteur

Exercice : Circuit d’Éclairage LED avec Interrupteur Circuit d’Éclairage LED avec Interrupteur Contexte : L'alimentation sécurisée d'une Diode Électroluminescente (LED)Un composant électronique qui émet de la lumière lorsqu'un courant électrique le traverse dans le...

Comportement du Condensateur Sous Tension
Comportement du Condensateur Sous Tension

Comportement du Condensateur Sous Tension Comportement du Condensateur Sous Tension Contexte : Le circuit RCUn circuit électrique composé d'une résistance (R) et d'un condensateur (C). Il est fondamental pour créer des filtres, des oscillateurs ou des circuits de...

Analyse d’un circuit d’alimentation électrique
Analyse d’un circuit d’alimentation électrique

Analyse d’un Circuit d’Alimentation Électrique Analyse d’un Circuit d’Alimentation Électrique Triphasé Contexte : L'alimentation d'un petit atelier. Un atelier est alimenté par un réseau triphaséSystème de trois courants alternatifs de même fréquence et de même...

Puissance dans un Système Générateur-Charge
Puissance dans un Système Générateur-Charge

Exercice : Puissance dans un Système Générateur-Charge Calcul de Puissance dans un Système Générateur-Charge Contexte : L'optimisation du transfert de puissance électriqueLa quantité d'énergie électrique transférée par unité de temps. Son unité est le Watt (W).. En...

Système Triphasé à Charges Équilibrées
Système Triphasé à Charges Équilibrées

Exercice : Système Triphasé Équilibré Système Triphasé à Charges Équilibrées Contexte : Le système triphasé équilibréUn système de trois tensions alternatives de même fréquence et de même amplitude, mais déphasées de 120° les unes par rapport aux autres. C'est le mode...

Analyse du Gain en Tension d’un Amplificateur
Analyse du Gain en Tension d’un Amplificateur

Analyse du Gain en Tension d’un Amplificateur Analyse du Gain en Tension d’un Amplificateur à Émetteur Commun Contexte : L'amplificateur à émetteur communUn des trois montages de base pour un transistor bipolaire, très utilisé pour son gain élevé en tension et en...

Analyse d’un Circuit avec Diode Parfaite
Analyse d’un Circuit avec Diode Parfaite

Analyse d’un Circuit avec Diode Parfaite Analyse d’un Circuit avec Diode Parfaite Contexte : Le redressementProcessus de conversion d'une tension alternative (AC) en une tension continue (DC). est une fonction fondamentale en électronique de puissance. Cet exercice se...

Calcul du Générateur de Thévenin
Calcul du Générateur de Thévenin

Exercice : Calcul du Générateur de Thévenin Calcul du Générateur de Thévenin Contexte : Le théorème de ThéveninUn principe fondamental en analyse de circuits électriques qui permet de simplifier un circuit complexe en un générateur de tension idéal en série avec une...

Calcul du Coefficient de Régulation dans un Circuit
Calcul du Coefficient de Régulation dans un Circuit

Exercice : Calcul du Coefficient de Régulation dans un Circuit Calcul du Coefficient de Régulation dans un Circuit Contexte : Le coefficient de régulationLe coefficient de régulation est un indicateur clé qui mesure la capacité d'une alimentation à maintenir une...

Calcul de la valeur efficace de la tension
Calcul de la valeur efficace de la tension

Exercice : Calcul de la Tension Efficace Calcul de la Valeur Efficace d'une Tension Contexte : L'importance de la valeur efficaceLa valeur efficace (ou RMS) d'un courant ou d'une tension variable correspond à la valeur d'un courant ou d'une tension continue qui...

Analyse du Multivibrateur Astable
Analyse du Multivibrateur Astable

Exercice : Analyse du Multivibrateur Astable Analyse du Multivibrateur Astable Contexte : Le Multivibrateur AstableUn circuit électronique qui génère un signal de sortie oscillant (typiquement carré) sans avoir besoin d'un signal d'entrée pour le déclencher. Il n'a...

Calcul du Facteur de Qualité Q d’un Circuit
Calcul du Facteur de Qualité Q d’un Circuit

Exercice : Calcul du Facteur de Qualité (Q) Calcul du Facteur de Qualité (Q) d'un Circuit RLC Série Contexte : Le Facteur de Qualité (Q)Le facteur de qualité est une grandeur sans dimension qui décrit la sélectivité ou la 'pureté' d'un circuit résonant. Un Q élevé...

Calcul des Résistances d’Entrée en Électronique
Calcul des Résistances d’Entrée en Électronique

Exercice : Calcul des Résistances d’Entrée en Électronique Calcul des Résistances d’Entrée en Électronique Contexte : L'amplificateur à transistor bipolaireComposant à 3 bornes (Base, Collecteur, Émetteur) qui amplifie le courant. en émetteur communMontage...

Calcul de la Fréquence Propre d’un Circuit RLC
Calcul de la Fréquence Propre d’un Circuit RLC

Exercice : Calcul de la Fréquence Propre d’un Circuit RLC Calcul de la Fréquence Propre d’un Circuit RLC Contexte : Le Circuit RLC SérieUn circuit électrique composé d'une résistance (R), d'une bobine (Inductance L) et d'un condensateur (Capacité C) connectés en...

Dépannage dans un Système d’Éclairage LED
Dépannage dans un Système d’Éclairage LED

Exercice : Dépannage d'un Système d'Éclairage LED Dépannage dans un Système d’Éclairage LED Contexte : Les systèmes d'éclairage à LEDDispositifs d'éclairage utilisant des diodes électroluminescentes (LED) comme source de lumière, réputés pour leur faible consommation...

Analyse d’un Filtre Passe-Bas RL
Analyse d’un Filtre Passe-Bas RL

Exercice : Analyse d'un Filtre Passe-Bas RL Analyse d’un Filtre Passe-Bas RL Contexte : Le filtrage électroniqueProcédé qui consiste à supprimer ou atténuer certaines fréquences d'un signal électrique tout en laissant passer les autres.. Les filtres sont des...

Analyse d’un Circuit RL avec Solénoïde
Analyse d’un Circuit RL avec Solénoïde

Analyse d’un Circuit RL avec Solénoïde Analyse d’un Circuit RL avec Solénoïde Contexte : Le Circuit RL SérieUn circuit électrique comprenant une résistance (R) et une inductance (L) connectées en série, généralement à une source de tension.. Contrairement aux circuits...

Calcul du Rapport des Amplitudes Complexes
Calcul du Rapport des Amplitudes Complexes

Calcul du Rapport des Amplitudes Complexes Calcul du Rapport des Amplitudes Complexes Contexte : Le Filtre RC Passe-BasUn circuit électronique qui laisse passer les signaux de basse fréquence et atténue les signaux de haute fréquence.. En régime sinusoïdal forcé,...

Calcul de la concentration d’électrons libres
Calcul de la concentration d’électrons libres

Calcul de la concentration d’électrons libres Calcul de la concentration d’électrons libres Contexte : La conductivité électriqueCapacité d'un matériau à laisser passer le courant électrique. Elle dépend fortement de la quantité de porteurs de charge (comme les...

Calcul de la Fréquence Angulaire de Coupure
Calcul de la Fréquence Angulaire de Coupure

Calcul de la Fréquence Angulaire de Coupure Calcul de la Fréquence Angulaire de Coupure Contexte : Les filtres électroniquesCircuits qui modifient l'amplitude ou la phase d'un signal en fonction de sa fréquence. Ils sont essentiels en traitement du signal, audio, et...

Lois de l’Ohm et Kirchhoff
Lois de l’Ohm et Kirchhoff

Lois de l’Ohm et Kirchhoff Lois de l’Ohm et Kirchhoff Contexte : Le diviseur de tensionUn circuit simple qui transforme une tension élevée en une tension plus basse en utilisant une paire de résistances en série.. En tant qu'ingénieur électronicien, vous devez...

Fonctionnement d’un électroscope
Fonctionnement d’un électroscope

Le fonctionnement d'un électroscope pour la mesure de charge Le fonctionnement d'un électroscope pour la mesure de charge Contexte : Visualiser l'Invisible L'électroscope est l'un des plus anciens instruments de mesure électrique. Son principe est simple mais puissant...

Etapes du phénomène de la foudre
Etapes du phénomène de la foudre

Expliquer les étapes du phénomène de la foudre Expliquer les étapes du phénomène de la foudre Contexte : Une Giga-Étincelle Naturelle La foudre est l'un des phénomènes naturels les plus puissants et spectaculaires. Il s'agit d'une décharge électrostatique massive qui...

Calcul du travail des forces électrostatiques
Calcul du travail des forces électrostatiques

Physique : Calcul du travail des forces électrostatiques Calcul du travail des forces électrostatiques Contexte : L'Énergie d'un Déplacement Électrique Lorsqu'une charge électrique se déplace dans un champ électriqueRégion de l'espace où une charge électrique est...

Modélisation simplifiée d’un paratonnerre
Modélisation simplifiée d’un paratonnerre

Modélisation simplifiée d'un paratonnerre Modélisation simplifiée d'un paratonnerre Contexte : Le Pouvoir des Pointes Les orages génèrent d'immenses différences de potentiel entre les nuages et le sol, créant un champ électriqueRégion de l'espace où une charge...

Charge sur un conducteur en équilibre
Charge sur un conducteur en équilibre

Étude de la distribution de charge sur un conducteur en équilibre Étude de la distribution de charge sur un conducteur en équilibre Contexte : Où vont les charges ? Lorsqu'on dépose un excès de charge électrique sur un conducteurMatériau dans lequel les charges...

Principe de la cage de Faraday
Principe de la cage de Faraday

Le principe de la cage de Faraday et ses applications Le principe de la cage de Faraday et ses applications Contexte : Le Bouclier Électrique Invisible Une cage de Faraday est une enceinte conductrice (pleine ou grillagée) qui protège ce qui se trouve à l'intérieur...

0 commentaires
Soumettre un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *