Spé. Physique-Chimie · Terminale · cours rédigé et vérifié par Claryo, conforme au Bulletin officiel
Une charge électrique q placée dans un champ électrique uniforme \vec{E} subit la force \vec{F} = q\vec{E}. Cette force est constante (champ uniforme) : son intensité, sa direction et son sens ne varient pas. Si q > 0, \vec{F} est dans le sens de \vec{E} ; si q < 0 (électron), \vec{F} est dans le sens opposé.
Un champ uniforme se réalise entre deux plaques planes parallèles soumises à une tension U, séparées d'une distance d : E = \dfrac{U}{d}. Le champ est dirigé de la plaque positive vers la plaque négative.
La deuxième loi de Newton donne \vec{a} = \dfrac{q}{m}\vec{E}, accélération constante. C'est exactement le même type de problème qu'un projectile dans un champ de pesanteur uniforme : d'où l'analogie et la trajectoire parabolique lorsque la vitesse initiale n'est pas parallèle au champ. La grande différence avec la pesanteur est l'intensité : pour une particule légère comme l'électron, l'accélération atteint des valeurs colossales (de l'ordre de 10^{15} m·s^{-2}), si bien que le poids devient totalement négligeable.
On rencontre deux configurations typiques. Si la vitesse initiale est parallèle au champ, le mouvement reste rectiligne : la particule est accélérée (ou freinée), comme dans un canon à électrons qui communique l'énergie au faisceau. Si la vitesse initiale est perpendiculaire au champ, la particule est déviée le long d'une parabole : c'est le principe de l'oscilloscope analogique et des tubes cathodiques, où des plaques de déviation orientent le faisceau d'électrons vers l'écran. Dans tous les cas, la démarche reste celle du projectile, transposée à une force d'origine électrique.
1. Système (la particule), référentiel galiléen. 2. Bilan : force électrique q\vec{E} ; justifier que le poids est négligeable (comparaison F_e/P). 3. Deuxième loi : \vec{a} = \dfrac{q}{m}\vec{E}. 4. Projeter et intégrer (comme un projectile) : direction de v_0 uniforme, direction de \vec{E} uniformément accélérée. 5. Calculer la déviation et comparer à l'écartement des plaques.
Les exercices de type oscilloscope ou canon à électrons sont fréquents. Le correcteur valorise : la justification de la négligence du poids, l'analogie explicite avec le projectile, l'intégration des équations horaires et la comparaison finale de la déviation à l'écartement des plaques. Attention aux ordres de grandeur (accélérations gigantesques, \sim 10^{15} m·s^{-2}, durées de l'ordre de la nanoseconde).