Force exercée par un dipôle électrique

Force exercée par un dipôle électrique

Comprendre la Force exercée par un dipôle électrique

Dans le domaine de l’électricité statique, un dipôle électrique est constitué de deux charges de signes opposés mais de même magnitude, séparées par une petite distance.

Ce dispositif crée un champ électrique autour de lui, qui peut influencer d’autres charges présentes dans son environnement.

Cet exercice explore comment calculer la force exercée par un dipôle sur une charge ponctuelle placée dans son voisinage.

Pour comprendre le Calcul de l’énergie potentielle d’une sphère, cliquez sur le lien.

Données:

  • \(q_+ = +5 \, \mu C\) (charge positive du dipôle)
  • \(q_- = -5 \, \mu C\) (charge négative du dipôle)
  • Distance entre les charges du dipôle, \(d = 2 \, \text{cm}\)
  • Position de la charge test, \(q = +2 \, \mu C\), située à \(10 \, \text{cm}\) du milieu du dipôle sur l’axe aligné avec les deux charges.
  • Constante de Coulomb, \(k = 8.987 \times 10^9 \, \text{Nm}^2/\text{C}^2\)

Questions:

1. Calculer la force exercée par chaque charge du dipôle sur la charge test \(q\):

  • Déterminer les vecteurs position de \(q_+\) vers \(q\) et de \(q_-\) vers \(q\).
  • Utiliser la loi de Coulomb pour calculer la force exercée par \(q_+\) et \(q_-\) sur \(q\).
  • Exprimer ces forces en notation vectorielle.

2. Calculer la force résultante exercée par le dipôle:

  • Additionner vectoriellement les forces obtenues pour déterminer la force nette exercée par le dipôle sur la charge test.
  • Discuter la direction et l’ampleur de cette force résultante.

3. Influence de la distance entre les charges du dipôle:

  • Comment varierait la force si la distance \(d\) entre \(q_+\) et \(q_-\) était doublée? Justifier mathématiquement.

4. Application pratique:

  • Supposons qu’une particule de poussière chargée négativement avec une charge de \(-0.5 \, \mu C\) se trouve à la même position que \(q\). Calculer la nouvelle force exercée par le dipôle et discuter des implications physiques si la particule de poussière était libre de se déplacer.

Correction : Force exercée par un dipôle électrique

1. Calcul de la force exercée par chaque charge du dipôle sur la charge test \(q\)

Détermination des vecteurs position :

Les charges \(q_+\) et \(q_-\) sont séparées par une distance \(d = 2 \text{ cm} = 0.02 \text{ m}\) et placées symétriquement autour du point médian sur l’axe x.

Ainsi, \(q_+\) est à \(x = +0.01 \text{ m}\) et \(q_-\) à \(x = -0.01 \text{ m}\). La charge test \(q\) est située à \(10 \text{ cm} = 0.1 \text{ m}\) du milieu sur l’axe x.

Vecteurs position relatifs à \(q\) :

  • Pour \(q_+\):

\[ \vec{r}_{q_+} = 0.1 \text{ m} – 0.01 \text{ m} \] \[ \vec{r}_{q_+} = 0.09 \text{ m} \]

  • Pour \(q_-\):

\[ \vec{r}_{q_-} = 0.1 \text{ m} – (-0.01 \text{ m}) \] \[ \vec{r}_{q_-} = 0.11 \text{ m} \]

Calcul des forces en utilisant la loi de Coulomb :

\[ F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2} \]

  • Pour \(q_+\) sur \(q\):

\[ F_{q_+} = \left(8.987 \times 10^9\right) \frac{(5 \times 10^{-6})(2 \times 10^{-6})}{(0.09)^2} \] \[ F_{q_+} = 11.10 \, \text{N} \]

  • Pour \(q_-\) sur \(q\):

\[ F_{q_-} = \left(8.987 \times 10^9\right) \frac{(-5 \times 10^{-6})(2 \times 10^{-6})}{(0.11)^2} \] \[ F_{q_-} = -7.43 \, \text{N} \]

Notation vectorielle :

Les forces sont dirigées le long de l’axe x.

  • \(\vec{F}_{q_+} = 11.10 \, \text{N} \, \hat{i}\)
  • \(\vec{F}_{q_-} = -7.43 \, \text{N} \, \hat{i}\)

2. Calcul de la force résultante exercée par le dipôle

Somme des forces vectorielles :

\[ \vec{F}_{\text{net}} = \vec{F}_{q_+} + \vec{F}_{q_-} \] \[ \vec{F}_{\text{net}} = (11.10 – 7.43) \, \text{N} \, \hat{i} \] \[ \vec{F}_{\text{net}} = 3.67 \, \text{N} \, \hat{i} \]

Discussion :

La force nette est dirigée vers la droite le long de l’axe x, indiquant que la charge test est attirée vers le dipôle avec une force de 3.67 N.

3. Influence de la distance \(d\) entre les charges du dipôle

Doublement de \(d\) :

  • Si \(d\) est doublée, les positions de \(q_+\) et \(q_-\) deviennent \(+0.02 \text{ m}\) et \(-0.02 \text{ m}\), respectivement.
  • Cela affecte les distances \(r\) dans le calcul des forces, les augmentant pour chaque charge, réduisant ainsi l’intensité de chaque force selon \(\frac{1}{r^2}\).
  • La force résultante serait alors calculée avec les nouvelles valeurs de \(r\) pour chaque charge, diminuant généralement la force nette exercée sur \(q\).

4. Application pratique avec une particule de poussière

Nouveau calcul avec \(q = -0.5 \mu C\) :

\[ F’_{q_+} = \left(8.987 \times 10^9\right) \frac{(5 \times 10^{-6})(-0.5 \times 10^{-6})}{(0.09)^2} \] \[ F’_{q_+} = -0.28 \, \text{N} \]

\[ F’_{q_-} = \left(8.987 \times 10^9\right) \frac{(-5 \times 10^{-6})(-0.5 \times 10^{-6})}{(0.11)^2} \] \[ F’_{q_-} = 0.21 \, \text{N} \]

Force nette :

\[ \vec{F}’_{\text{net}} = -0.28 \, \text{N} \, \hat{i} + 0.21 \, \text{N} \, \hat{i} \] \[ \vec{F}’_{\text{net}} = -0.07 \, \text{N} \, \hat{i} \]

La particule est repoussée par le dipôle, suggérant que la particule pourrait être repoussée loin du dipôle si elle est libre de se déplacer.

Force exercée par un dipôle électrique

D’autres exercices d’électricité statique:

Potentiel Électrique dans un Cône Conducteur

Potentiel Électrique dans un Cône Conducteur

Potentiel Électrique dans un Cône Conducteur Comprendre le Potentiel Électrique dans un Cône Conducteur En électricité statique, la distribution de charges électriques sur des surfaces peut créer des champs électriques complexes. Un cône conducteur est chargé avec une...

Étude des Condensateurs en Parallèle

Étude des Condensateurs en Parallèle

Étude des Condensateurs en Parallèle Comprendre l'Étude des Condensateurs en Parallèle Dans un laboratoire de recherche sur les matériaux semi-conducteurs, une équipe d'ingénieurs utilise des condensateurs pour stocker des charges électriques utilisées dans des...

Flux Électrique à travers un Cube

Flux Électrique à travers un Cube

Flux Électrique à travers un Cube Comprendre le Flux Électrique à travers un Cube Considérons une charge ponctuelle \( q \) placée à l'origine d'un système de coordonnées cartésiennes. Un cube de côté \( a \) est centré au point \( P(a, a, a) \). La charge génère un...

Calcul de la Charge Totale dans une Sphère

Calcul de la Charge Totale dans une Sphère

Calcul de la Charge Totale dans une Sphère Comprendre le Calcul de la Charge Totale dans une Sphère Dans cet exercice, nous examinons une sphère métallique chargée isolée dans un espace vide. Cette sphère reçoit une charge électrique, ce qui induit une répartition...

Densité de Charge Linéique sur un Fil Uniforme

Densité de Charge Linéique sur un Fil Uniforme

Densité de Charge Linéique sur un Fil Uniforme Comprendre la Densité de Charge Linéique sur un Fil Uniforme Dans le cadre de la conception d'un nouveau type de câble électrique superconducteur, des ingénieurs étudient la distribution de la charge électrique le long...

Interaction entre Sphères Conductrices

Interaction entre Sphères Conductrices

Interaction entre Sphères Conductrices Comprendre l'Interaction entre Sphères Conductrices Trois sphères conductrices identiques, A, B et C, sont placées dans le vide et peuvent se toucher sans friction. Initialement, la sphère A porte une charge de +8 µC, tandis que...

Calcul de la Force Électrostatique

Calcul de la Force Électrostatique

Calcul de la Force Électrostatique Comprendre le Calcul de la Force Électrostatique Dans un laboratoire de physique, deux petites sphères chargées sont placées sur un support isolant à une distance mesurable l'une de l'autre. L'objectif de cet exercice est de...

Calcul du moment dipolaire

Calcul du moment dipolaire

Calcul du moment dipolaire Comprendre le Calcul du moment dipolaire En physique, le moment dipolaire électrique est une mesure de la séparation des charges positives et négatives dans un système. Il joue un rôle crucial en électrostatique, influençant les interactions...

Calculs de Surface et Densité de Charge

Calculs de Surface et Densité de Charge

Calculs de Surface et Densité de Charge Comprendre les Calculs de Surface et Densité de Charge Un cube de matériau diélectrique est placé dans un environnement où un champ électrique uniforme est appliqué. La présence de ce champ électrique induit une distribution...

Calcul de la force exercée sur une charge

Calcul de la force exercée sur une charge

Calcul de la force exercée sur une charge Comprendre le Calcul de la force exercée sur une charge En physique, la loi de Coulomb décrit la force exercée entre deux charges électriques ponctuelles. Cette force est directement proportionnelle au produit des charges et...

Forces entre Particules Chargées dans le Vide

Forces entre Particules Chargées dans le Vide

Forces entre Particules Chargées dans le Vide Comprendre les Forces entre Particules Chargées dans le Vide Dans un laboratoire de recherche en physique, deux particules chargées sont placées à une distance connue l'une de l'autre. Les chercheurs veulent comprendre...

Calcul et Implications du Moment Dipolaire

Calcul et Implications du Moment Dipolaire

Calcul et Implications du Moment Dipolaire Comprendre le Calcul et Implications du Moment Dipolaire Dans un laboratoire de recherche en physique, les scientifiques étudient les propriétés électrostatiques de différents matériaux. L'un de ces matériaux présente une...

Calcul de la Surface d’un Condensateur

Calcul de la Surface d’un Condensateur

Calcul de la Surface d'un Condensateur Comprendre le Calcul de la Surface d'un Condensateur Vous êtes un ingénieur en électronique travaillant sur la conception d'un circuit qui inclut un condensateur pour stabiliser la tension et réduire les fluctuations de...

0 commentaires

Soumettre un commentaire

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