Qu'est-ce qu'un champ électrique ?

Champ électrique

Avant de discuter de ce qu'est un champ électrique, examinons le champ gravitationnel de la Terre pour obtenir des réponses générales sur les champs.

Champ gravitationnel

Lorsque nous pensons à la gravité, nous avons tendance à imaginer des objets courants tombant vers la surface de la Terre. Mais cela ne représente qu'une partie de l'interaction. Nous ne pensons pas à l’attraction de la Terre envers ces objets du quotidien, car l’accélération de la Terre vers ces objets est imperceptiblement petite.

Et nous ne pensons certainement pas aux objets du quotidien exerçant une force gravitationnelle les uns sur les autres, car cette interaction gravitationnelle est si faible que nous ne l’avons jamais observée directement. En dehors d'expériences soigneusement conçues, il faut généralement un objet de taille astronomique pour générer les forces nécessaires à l'observation d'une interaction.

Faisons les calculs

En utilisant la masse gravitationnelle de deux objets, la constante de proportionnalité G et la distance entre les centres de masse des objets, nous pouvons déterminer la force d’attraction gravitationnelle entre eux. Pour effectuer les calculs correctement, nous devrions prendre en compte la masse et l’emplacement exacts de chaque gisement de pétrole et de minéraux, chaque roche, chaque vague, chaque personne et chaque autre objet sur et dans la Terre. Mais cela représente trop de travail, donc nous supposons une sphère homogène.

La loi de la gravitation universelle de Newton fournit la force d'attraction pour l'interaction entre la Terre (⊕) et un objet arbitraire.

La théorie de la relativité d'Einstein et toutes les expériences réalisées jusqu'à présent ont montré une équivalence entre la masse inertielle et la masse gravitationnelle, ce qui nous permet de justifier de les établir à égalité.

Et pour simplifier encore les choses, nous pourrions tout aussi bien remplacer ce rayon de la Terre dans l'équation par la distance de séparation, r, puisque presque toute activité humaine se déroule à quelques dizaines de kilomètres de la surface de la Terre. Nous pouvons alors résoudre les équations d'accélération à la surface ou à proximité de la surface.

La réponse qui en résulte est beaucoup plus facile à utiliser que les équations précédentes et est indépendante de la masse de l'objet.

Tous les humains vivant près de la surface de la Terre, des mineurs souterrains aux pilotes d'avions commerciaux, subissent cette même accélération vers le centre de la Terre. Il est bien plus simple de travailler avec g = 9,8( m / ^s² ) que de procéder à cette dérivation à chaque fois que l'on souhaite déterminer l'accélération d'un nouvel objet. La masse de l'objet s'annulant systématiquement, l'accélération sera toujours d'environ g = 9,8( m / ^s² ) .

La Terre n'est pas homogène et n'est pas une sphère. C'est un ellipsoïde avec des montagnes et des vallées, des gisements de pétrole et de minéraux, des océans et toutes sortes de caractéristiques uniques. Le champ gravitationnel qui entoure la Terre n'est pas uniforme.

Imaginez que vous laissiez tomber un objet à 800 endroits répartis de manière égale autour du globe et que vous dessiniez une flèche à cet endroit pour indiquer la direction de l'accélération. Dans ce cas, vous pourriez vous retrouver avec l'image ci-dessous.

Ce champ vectoriel tridimensionnel montre la direction et l'amplitude de l'accélération à des points équidistants près de la surface de la Terre. Les couleurs de l'arc-en-ciel indiquent la différence relative par rapport à l'accélération moyenne, les flèches rouges indiquant une amplitude d'accélération plus élevée près des pôles et les violettes indiquant une amplitude d'accélération plus faible près de l'équateur.

Champs vectoriels

Si la longueur de la flèche est proportionnelle à la grandeur de l'accélération, la flèche devient un vecteur. Mathématiquement, l'ensemble des vecteurs est un champ vectoriel, et une valeur est définie partout dans la région, pas seulement aux emplacements définis par les flèches.

Les champs sont des constructions mathématiques qui montrent comment les propriétés d'un objet changent dans une région à deux ou trois dimensions.

Étant donné que le champ vectoriel que nous avons utilisé dans notre exemple est dû à la gravité, un autre nom pour la collection de flèches est un champ gravitationnel .