Physique XXI Tome B Électricité et magnétisme

Physique XXI réinvente le manuel de physique en offrant un outil vraiment convivial au lecteur désireux de comprendre et de maîtriser les lois fondamentales qui régissent les phénomènes physiques.

Grâce à sa structure modulaire et flexible, à la clarté de ses démonstrations, à la pertinence des situations concrètes analysées et à la rigueur de la présentation des solutions, cet ouvrage se révèle un véritable partenaire pédagogique, tant pour les élèves que pour les professeurs.

Une structure simple, modulaire et flexible
Les quatre ou cinq chapitres de chacun des trois tomes sont divisés en sections courtes qui contiennent toutes un glossaire, des questions, conceptuelles et des exercices, ce qui permet au lecteur d'évaluer sa compréhension de chaque sujet avant de passer au suivant. Un organigramme placé au début de chaque chapitre montre les liens entre les sections, rendant possibles des parcours adaptés aux besoins de chacun.

Une approche concrète, des solutions complètes
Les sections sont bâties autour de l'analyse détaillée de mises en situations concrètes. On décrit souvent les situations avant de présenter la théorie nécessaire pour les analyser, rendant ainsi explicites les raisons qui motivent, l'introduction de nouveaux éléments de théorie. Les analyses des situations sont très détaillées afin de permettre au lecteur d'apprendre à construire des solutions rigoureuses: les schémas qui doivent accompagner une solution complète sont systématiquement présentés, et on n'omet aucune des étapes logiques et algébriques qui permettent d'obtenir les réponses.

Une iconographie riche et intégrée
Les illustrations et les photos sont étroitement intégrées au texte: plusieurs situations et exercices sont basés sur des photos. Les démonstrations et les solutions particulièrement complexes s'appuient sur plusieurs schémas détaillés qui montrent chacune des étapes de l'analyse.

Des outils de révision et de synthèse
À la fin de chaque chapitre figurent des fiches de synthèse qui exposent de manière schématique les liens principaux reliant les concepts du chapitre, ainsi que des exercices de révision et de synthèse. À la fin du livre se trouve une annexe mathématique complète et détaillée qui permet au lecteur de réviser les notions mathématiques importantes en physique.

Marc Séguin possède un baccalauréat en physique de l'Université de Montréal ainsi que deux maîtrises (astrophysique et histoire des sciences) de l'Université Harvard. Il est co-auteur, avec Benoît Villeneuve, d'Astronomie et astrophysique: cinq grandes idées pour explorer et comprendre l'Univers. Il a été concepteur et narrateur de deux séries d'émissions de vulgarisation scientifique à Radio-Canada: La logique de l'Univers (physique moderne et cosmologie) et Treize leviers pour soulever le mondé (histoire des sciences). Julie Descheneau possède un baccalauréat bidisciplinaire en mathématiques-physique et une maîtrise en physique théorique (cosmologie) de l'Université McGill. Benjamin Tardif possède un baccalauréat et une maîtrise en physique de la matière condensée de l'Université de Montréal. Tous les trois enseignent la physique au, Collège de Maisonneuve, à Montréal.

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MÉCANIQUE

Après l'étude du tome A, le lecteur pourra analyser le mouvement des objets sous l'effet de la force gravitationnelle et de diverses forces de contact en utilisant les grands principes de la mécanique: les lois du mouvement de Newton, le principe de conservation de l'énergie et le principe de conservation de la quantité de mouvement.
CHAPITRE 1 Cinématique
CHAPITRE 2 Dynamique
CHAPITRE 3 Principes de conservation
CHAPITRE 4 Mécanique des corps

ÉLECTRICITÉ et MAGNÉTISME
Après l'étude du tome B, le lecteur pourra évaluer les champs électriques et magnétiques produits par diverses configurations de particules chargées, calculer l'effet de ces champs et expliquer comment les phénomènes électriques et magnétiques sont reliés.
page 5 CHAPITRE 1 Champ électrique Déterminer le champ électrique généré par un ensemble de particules chargées ou par un corps chargé et calculer l'effet de ce champ sur une particule chargée.
page 137 page 211 CHAPITRE 2 CHAPITRE 3 Potentiel électrique Circuits électriques Déterminer le potentiel électrique généré par un ensemble de particules chargées ou associé à un champ electrique et calculer l'effet de ce potentiel sur une particule chargée. Analyser des circuits électriques comportant des piles, des résisteurs et des condensateurs.
page 333 CHAPITRE 4 Force magnétique Déterminer le champ magnétique généré par un courant électrique et calculer l'effet de ce champ sur un courant électrique ou une particule chargée en mouvement.
page 419 CHAPITRES Induction électromagnétique Décrire l'apparition d'un courant électrique induit dans un circuit soumis à une variation de champ magnétique.



ONDES et PHYSIQUE MODERNE

Après l'étude du tome C, le lecteur pourra analyser des situations comportant des oscillations, des ondes
mécaniques (ondes sur des cordes tendues, son), des ondes lumineuses, des déviateurs de lumière (miroirs et lentilles),
des objets se déplaçant à une fraction appréciable de la vitesse de la lumière (relativité), des ondes-particules
(mécanique quantique) et des noyaux atomiques (physique nucléaire).

CHAPITRE 1 Oscillations et ondes mécaniques
, CHAPITRE2 Optique géométrique
CHAPITRE 3 Optique ondulatoire
CHAPITRE 4 Relativité
CHAPITRES Physique quantique et nucléaire

TABLE DES MATIÈRES
INTRODUCTION
Chapitre 1
CHAMP ÉLECTRIQUE 5
1.1 La charge électrique 7
La charge électrique et la force électrique 8
Le coulomb 9
Le principe de conservation de la charge 10
La charge par contact 11
La quantification de la charge 12
Tableau: Charge électrique 12
Isolants et conducteurs 13
L'induction électrostatique 14
L'attraction entre un objet chargé et un objet neutre 14
la charge par induction électrostatique 15
La foudre 17


1.2 La 101 de Coulomb 21
La superposition des forces électriques Méthode de résolution La superposition des forces La force électrique, la force gravitationnelle el la force nucléaire 23 25 25
L'équilibre statique d'une particule soumise à une force électrique 27
1.3 La définition du champ électrique Tableau: Champ électrique 31 34
1.4 Le champ électrique généré par une particule chargée 37
L'orientation du champ électrique Le champ électrique à l'extérieur d'une distribution de charge possédant une symétrie sphérique La force électrique, le champ électrique et le vecteur unitaire radial 38 40 41
1.5 Le champ électrique généré par plusieurs particules Erreurs conceptuelles fréquentes: Force et champ électriques Àquel endroit la superposition est-elle nulle? Les lignes de champ électrique 43 46 48 49
1.6 Les dipôles électriques Le dipôle électrique idéalisé L'importance du moment dipolaire électrique 55 56 59


1.7 Le champ électrique généré par une TRIUC 61
1.8 Le champ électrique d'une lige par intégration 65 Le champ électrique généré par un arc de cercle chargé 73 Les tiges non uniformément chargées 74 Méthode de résolution:
Le calcul du champ électnque par intégration 76

1.9 Le champ électrique généré par une PPIUC 79
1.10 Le champ électrique d'une plaque par intégration 85 Le champ d'une PPIUC à partir du champ d'une TRIUC 85 Le champ d'une PPIUC à partir du champ d'un anneau 89
Le champ électrique d'une distribution sphérique de charge 92
1,11 Le théorème de Gauss 97 Le fiux électrique 97 Le théoréme de Gauss 100 La démonstration des équations de la TRIUC et de la PPIUC 101 Le champ électrique généré par une distribution sphérique
de charge 104 La définition générale du flux électrique 106 Méthode de résolution: La détenminalion du champ électrique à l'aide du théorème de Gauss 108
1.12 Les conducteurs en équilibre électrostatique 111 La cage de Faraday 115

1.13 Le champ électrique à proximité d'un conducteur 117
Démonstration de l'équation du module du champ électrique à proximité d'un conducteur 119
1.14 Le mouvement d'une particule dans un champ électrique uniforme 123

1.15 Une brève histoire de la force électrique 128
1.16 Synthèse du chapitre 131
Chapitre 2


POTENTIEL ÉLECTRIQUE 137
2.1 L'énergie potentielle électrique d'un système de particules chargées 139 L'énergie potentielle électrique d'un système
de N particules 142
2,2 Le potentiel électrique généré par des particules chargées 145 Tableau: Potentiel électrique 146 Le potentiel électrique généré par une particule chargée 147 Les surfaces équipotentielles et la superposition
des potentiels 148
La représentation du potentiel par un graphique V(x, y) 153
L'électronvolt 154



MARC SEGUIN
2.3
Le mouvement d'une particule chargée sous J'effet
d'autres particules chargées 159

Le travail nécessaire pour déplacer une particule 164

2.4
La différence de potentiel dans un champ électrique
uniforme 167

2.5
Les relations générales entre le potentiel
et le champ électrique 175

La variation du potentiel électrique dans un champ
électrique quelconque 176

La détermination du champ électrique à partir du potentiel
électrique 179

2.6
Le potentiel électrique par intégration 183

2.7
Le potentiel électrique et les conducteurs 189

L'effet de pointe 191

2.8
Les condensateurs 195

La capacité d'un condensateur 196

Tableau: Capacité 198

Charger un condensateur à l'aide d'une pile 199

L'énergie emmagasinée dans un condensateur 200

La densité d'énergie dans un champ électrique 201

Les diélectriques 202

2.9
Synthèse du chapitre 207

Chapitre 3
CIRCUITS ÉLECTRIQUES 211

3.1
L'électromotance, le courant et la résistance 213

L'électromotance 215

Le courant électrique 216

Tableau: Courant électrique 217

La résistance 218

Les résisteurs 218

Tableau: Résistance 219

La loi d'Ohm 219

Erreurs conceptuelles fréquentes:
Piles et courant 220

3.2
La résistivité 223

Tableau: Résistivité 226

3.3
La vitesse de dérive 229


3.4
La puissance électrique 235

Analogie mécanico-gravitationnelle d'un circuit
pile-résisteur 237

Le kilowatt-heure 238

La physique de la bouilloire 238

3.5
Les lois de Kirchhoff 243

La loi des nœuds de Kirchhoff 244

La loi des mailtes de Kirchhoff 245

La méthode générale de Kirchhoff 246

3.6
La résistance équivalente 253

La résistance équivalente en série 254

La résistance équivalente en parallèle 254

Les circuits comportant des résisteurs en série
et en parallèle 256

La résistance équivalente et l'équation R =: pf/ A 259

3.7
La mise àla terre 263

La mise à la terre 264

Le potentiel dans une branche ouverte 267

Le retour des résisteurs court-circuités 269

3.8
Les instruments de mesure 271

L'ohmmétre 272

L'ampéremètre et le voltmètre 272

3.9
Les piles réelles 277

3.10
Le diviseur de tension et le diviseur de courant 283

Le diviseur de tension 283

Le diviseur de courant 284

3.11
L'électricité domestique et le courant alternatif 287

L'électromotance et le courant efficaces 288

Les lignes de transmission 291

L'électricité résidentielle 292

Le danger des chocs électriques 293

3.12
La charge et la décharge d'un condensateur 297

La décharge d'un condensateur 299

La charge d'un condensateur 302

Les circuits comportant des condensateurs non chargés
ou complètement chargés 306

3.13
La capacité équivalente 311

La capacité équivalente en parallèle 311

La capacité équivalente en série 313

3.14
Le champ électrique dans un circuit 319

Le champ électrique et la densité de courant 320

L'origine du champ électrique dans un circuit 322

3.15
Une brève histoire des circuits électriques 324

3.16
Synthèse du chapitre 327






MS

ANNEXE GÉNÉRALE 507

M5.1 Gi L'alphabet grec 507 M5.2 M5.3
G2 Le système international d'unités 507
M5.4
G2.1 Les préfixes du système international 507 M5.5
G2.2 Les unités fondamentales du système international 507 M5.6
G2.3 Les unités dérivées du système international 507 M5.7
G2.4 Les unités du SI utilisées dans cet ouvrage 508
M6


G3 Les constantes universelles 508
M6.1

G4 Données d'usage fréquent 509
M6.2 G5 Les propriétés des matériaux 509 M6.3
M7 M7.1 M7.2

M7.3
M7.4 M7.5 M7.6

M7.7 M7.8
M7.9

M7.10
M7.11
Ma
Mg
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G6 Les principaux isotopes des éléments
G7 Les chiffres significatifs
ANNEXE MATHÉMATIQUE

Relations mathématiques d'usage fréquent Mi Les opérations de base M1.1 L'addition, la soustraction, la multiplication et la division M1.2 Les systèmes d'équations M1.3 Le zéro et l'infini M2 Les exposants et la notation scientifique M2.1 Les exposants M2.2 Exposants nuls et négatifs M2.3 La notation scientifique M2.4 Exposants non entiers et racine carrée M2.5 La multiplication des binômes M2.6 Les solutions de l'équation quadratique M3 Les logarithmes M3.1 Le logarithme en base 10 M3.2 Le logarithme naturel M3.3 Les identités logarithmiques M4 la géométrie de base M4.1 Les angles M4.2 Les triangles et les quadrilatères M4.3 Le cercle et la sphère M4.4 L'équation d'une droite
MiO
510 M10.1
512


M10.2 M1i
513
513
514
514 514 515
515
515 516 516 516 516 516
517
517
518 518
518
518 519 520 520
Les fonctions trigonométriques La définition du sinus et du cosinus Valeurs particulières du sinus et du cosinus Les signes du sinus et du cosinus Les autres fonctions trigonométriques Les fonctions trigonométriques inverses Les identités trigonométriques Les lois des sinus et des cosinus
Les approximations utiles L'approximation du binôme Les approximations du petit angle L'approximation du triangle isocèle mince
Les vecteurs Les vecteurs et les scalaires L'addition graphique des vecteurs Les composantes d'un vecteur La multiplication d'un vecteur par un scalaire Les vecteurs unitaires r. jet ;; La forme polaire et la forme cartésienne De la forme polaire à la forme cartésienne De la forme cartésienne à la forme polaire Le module d'un vecteur en trois dimensions L'addition et la soustraction des vecteurs L'écriture des vecteurs
Le produit scalaire Le produit vectoriel La dérivée
La définition de la dérivée Les règles de dérivation L'intégrale


520
520 521 521 522 523 524 526 526 526 527 527 527 527 528 528 528 528 529 529 530 530 530 531 531 531
532 532 533
534
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536 553