Electricité 1S

Lycée Ahoune Sané De Bignona Année Scolaire 2008/2009
Cellule Pédagogique De Sciences Physiques Niveau : Première S
TD : FORCE ET CHAMP ELECTROSTATIQUES

Exercice 1 :
Une charge ponctuelle q = 5.10-7 C est situé en un point O dans le vide. Caractériser le champ électrostatique produit par cette
charge en un point A situer à la distance d = 10 cm du point O.
Exercice 2 :
Une charge située dans un champ électrostatique d’intensité 5.105 v/m est soumise à une force de sens opposé au vecteur
champ électrostatique d’intensité 8.10-14 N. Quelle est la charge portée par la particule ?
Exercice 3 :
Deux charges +q et –q sont placées respectivement en A et B. ( q = 1,4.10-9 C ; AB = 1,6 cm ).

1) Donner les caractéristiques du champ électrostatique en un point M tel que le triangle AMB soit équilatéral.
2) Donner les caractéristiques du champ électrostatique en un point P quelconque de la médiatrice de AB connaissant
la distance de P à O milieu de AB. Donnée : d = 3 cm
Exercice 4 :
Trois charges ponctuelles égales chacune à q = 10-8 C sont placées dans le vide aux sommets d’un triangle équilatéral de côté
a = 5 cm.
1) A quelle force F;\s\up7((est soumise l’une des charges de la part des deux autres ?
2) Quelle est la valeur de l’intensité du champ électrostatique E au milieu d’un côté ?
Exercice 5 :
Soient quatre charges ponctuelles placées chacune au sommet d’un carré ABCD dont deux charges positives en A et C et deux
charges négatives en B et D d’intensité q = 10-6 C.
1) Calculer l’intensité du champ au centre du carré.
2) Calculer l’intensité du champ en A.
Exercice 6 :
Une charge ponctuelle q est placée en un point O d’un champ électrostatique uniforme tel que E1;\s\up7((= 200i;\s\up7((( E1 en
v/m ) dans un repère orthonormé ( O, i;\s\up7((,j;\s\up7((,k;\s\up7((). Au point A (-4 ; 0 ; 0 ; ) le champ total est nul. L’unité de
longueur est le centimètre.
a) Calculer la valeur de la charge q.
b) Déterminer le champ électrostatique au point B (-2 ; 2 ; 0 ) et au point C ( 4 ; 3 ; 0 ).
Exercice 8 : A-q
Trois charges ponctuelles +q, -q et -q telles que q = 10-8 C sont placées aux B C
sommets ABC d’un triangle équilatéral de côté a = 10 cm. +q H -q
Déterminer les caractéristiques de la force électrostatique qui s’exerce sur une
charge Q = 10-10 C, placée en un point M de la médiatrice de BC tel que AH = HM.
Exercice 9 :
Deux charges +q et –q sont placées en deux points A et B d’abscisse – a et + a sur l’axe Ox d’un repère xOy.
1) Donner l’expression de la norme du vecteur-champ en tout point M de l’axe Ox.
2) Même question pour tout point N de l’axe Oy.
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TD : TRAVAIL DE LA FORCE ELECTROSTATIQUE

ENERGIE POTENTIELLE ELECTROSTATIQUE
Exercice 1 :
Dans une région de l’espace règne un champ électrostatique uniforme d’intensité E0 = 106 V/m. Dans un repère orthonormé, ce
champ a pour expression E;\s\up7(( -E0.k;\s\up7((.
1) Calculer le travail de la force électrostatique qui s’exerce sur un électron lorsque cette particule passe du point
A (1, 3, 4) au point B (5, 6, 0), l’unité de longueur étant le centimètre.
2)Donner la variation d’énergie cinétique (en ev) de cet électron.
Exercice 2 :
Dans un canon à électron, un électron quitte le filament ; il est accéléré par un champ électrique créé entre deux plaques. Il
passe d’un point K de potentiel électrique VK = -20 V à un point C de potentiel électrique VC = 20 V.
1) Calculer la variation d’énergie potentielle de l’électron lorsqu’il passe de K en C.
2) Calculer le travail de la force électrique appliqué à l’électron entre K et C.
3) Calculer sa variation d’énergie cinétique entre K et C.
Exercice 3 :
Un générateur maintient une tension U = 200 V entre deux plaques conductrices parallèles situées dans le vide.
1) Un électron la plaque négative pour être capté par la plaque positive. Calculer le travail de la force électrostatique qui
s’exerce sur cet électron ( en joules et en électronvolts).
2) La distance séparant les plaques est d = 2 cm, caractériser le champ électrostatique en tout point de l’espace compris
entre les plaques.
3) On écarte les plaques, toujours parallèles, à d’ = 4 cm ; la tension de 200 V est maintenue. Reprendre les questions
précédentes. Conclure.
4) Les plaques sont déplacées de façon quelconque et ne sont plus parallèles. Peut-on toujours calculer simplement le
travail de la force électrostatique qui s’exerce sur l’électron allant de la plaque positive à la plaque négative ?
Exercice 4 :
Soit un champ électrostatique uniforme d’intensité 200 V/m, parallèle à un axe x’ox et dirigé suivant ox. L’origine de l’énergie
potentielle est le point O. Au point A, la différence de potentiel est : VA – VO = - 10 V.
1) Donner l’abscisse du point A.
2) Un proton H+ est situé en A. Quelle est son énergie potentielle ? Quel est le travail de la force électrostatique si l’on
déplace le proton en O ?
3) Même question avec un électron initialement situé en A ?
Exercice 5 :
On maintient une d.d.p de 1000 V entre deux plaques conductrices identiques, parallèles, distantes de 5 cm. Une charge
q = 10-12 C se déplace entre les plaques d’un point A, situé à 1 cm de la plaque positive, à un point B, situé à 2 cm de la plaque
négative.
1) Calculer le champ électrostatique entre les deux plaques.
2) Calculer la d.d.p. VB – VA = UBA.
3) Calculer l’énergie potentielle de la charge q en A, puis en B en prenant comme référence la plaque négative.
4) Calculer le travail de la force s’exerçant sur la charge q pour aller de A en B.
Exercice 6 :
Des ions Mg2+ et Mg2+ sont produit d’ionisation d’un spectromètre de masse. Ces ions, de vitesse initiale nulle, sont accélérés
par une chambre d’ionisation C et la cathode K, percée d’un trou O.
1) Donner le signe de UKC.
2) Quelle est la vitesse de chacun de ces ions passant par O ?
3) Après leur passage par le trou, ces particules sont déviées par un champ magnétique. Ce champ produit sur ces
particules une force constamment perpendiculaire à leur vitesse. Donner les vitesses à la sortie du champ.
Données : mp = mn = 1,67.10-27 kg ; U = 4 000 V.
On admettra que la masse d’un ion est égale à la masse des neutrons et des protons qui forme son noyau.
Exercice 7 :
Soit  ( O, i;\s\up7((, j;\s\up7((,k;\s\up7(() un repère orthonormé associé à une région de l’espace. On crée un champ uniforme
E;\s\up7((= E.k;\s\up7((, avec
E = 500 V/cm.
1) Calculer l’énergie potentielle d’un porteur de charge q en un point M ( x , y , z ) de cette région.
On prendra Ep (o ) = 0.
2) Un ion Cl- passe d’un point A ( 1 , 1 , 1 ) au point B (-4 , 3 ,-1 ) ; calculer la variation de l’énergie potentielle de cet
ion. En déduire le travail de la force au cours de ce déplacement. On exprimera les résultats en joule et en électrons-
volts. L’unit é de longueur est le cm.
3) L’ion Cl- est-il freiné ou accéléré lorsqu’il passe de A en B ?
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TD : ENERGIE ELECTRIQUE MISE EN JEU DANS UN CIRCUIT ELECTRIQUE
Exercice 1 :
Aux bornes d’un récepteur traversé par un courant d’intensité I = 0,3 A est appliquée une tension de 24 V.
1) Calculer la puissance électrique reçue par ce récepteur.
2) Calculer l’énergie électrique reçue s’il fonction durant 3h.
Exercice 2 :
Un électrolyseur de f.c.é.m. e = 2 V de résistance r = 10 , est parcouru par un courant d’intensité 0,5 A.
1) Quelle est la puissance électrique reçue par ce récepteur ?
2) En 2 h de fonctionnement, quelles sont les quantités :
- d’énergie électrique consommée ?
- d’énergie électrique utilisée pour provoquer les réactions chimiques ?
- de chaleur dégagée,
3) Calculer le rendement de l’électrolyseur.
Exercice 3 :
Une pile fournie au circuit extérieur une puissance de 11,25 W. cette pile a une f.é.m. e = 5,5 V et une résistance r = 0,2 .
1) quelles sont les valeurs possibles de l’intensité ?
2) Calculer la puissance électrique engendrée, la puissance fournie au circuit, la puissance Joule et le rendement de la
pile.
Exercice 4 :
On associe en série une batterie d’accumulateurs (de f.é.m. e = 18 V et de résistance interne r = 1,2  ). Un conducteur
ohmique (de résistance R = 4,8  ), un moteur ( de f.c.é.m. e’ et de résistance r’ ) et un ampèremètre de résistance négligeable.
1) On empêche le moteur de tourner. L’intensité du courant dans le circuit vaut alors I = 2,1 A. calculer r’.
2) Le moteur tourne à la vitesse de 150 trs.min-1 ; l’intensité du courant vaut I’ = 1,2 A. calculer e’.
Calculer la puissance électrique consommée par chaque dipôle. Quel est le moment du couple moteur ?
3) Quel est le rendement de ce circuit, c’est à dire le rapport de la puissance électrique utile transformée en puissance
mécanique à la puissance engendrée par les transformations chimiques dans le générateur ?
Exercice 5 :
La portion de circuit AE ci-dessous est parcourue par un courant d’intensité I = 2 A.
1) Calculer les tensions UAB, UAD, UAE.
2) Quelle est la puissance électrique reçue par le dipôle CE ?
(E1, r1) ( E’, r ) ( E2 ; r2 )
A B C D
R E
 Valeurs numériques :
E1 = 6 V ; r1 = 2 ; E’ = 2 V; r = 3 
E2 = 1 V ; r2 = 0,2 ; R = 5 
Exercice 6:
On réalise le montage ci-dessous comprenant en série:
- un générateur ( f.é.m. Eo = 30 V, résistance interne ro négligeable) ;
- une résistance ajustable R ;
- un électrolyseur ( f.c.é.m. E’1 = 20 V, résistance r2 = 0,5 )
- un interrupteur K.
( E’1, r1) ( E’2, r2 )
(Eo ,ro) (K)
1) On choisit R = 10  et on ferme l’interrupteur. Calculer l’intensité I du courant.

2) Calculer la puissance utile disponible sur l’arbre du moteur.
3) L’électrolyte présent dans l’électrolyseur a pour masse m = 100 g ; sa capacité thermique massique C est égale à
4,2 kJ.Kg-1.K-1 et on néglige la capacité thermique de la cuve.
Pendant combien de temps le courant doit-il circuler pour que la température de l’électrolyte s’élève de 2°C ?
Exercice 7 :
Un petit moteur électrique récupéré dans un vieux jouet d’enfant est monté en série avec un conducteur ohmique de résistance
R = 4 , une pile ( f.é.m. E = 4,5 V, résistance interne r = 1,5  ), un ampèremètre de résistance négligeable et un interrupteur
K.
1) Faire un schéma du montage.
2) Lorsqu’on ferme l’interrupteur, le moteur se met à tourner et l’ampèremètre indique un courant d’intensité I = 0,45 A.
En déduire une relation numérique entre la f.c.é.m. E’ du moteur (en V) et sa résistance r’ (en  ).
3) On empêche le moteur de tourner et note la nouvelle valeur de l’intensité : I’ = 0,82 A.
En déduire les valeurs numérique en S.I., de r’ et de E’.
4) Déterminer pour 5 min de fonctionnement du moteur :
-l’énergie E1 fournie par la pile au reste du circuit,
-l’énergie E2 consommée dans le conducteur ohmique,
-l’énergie utile E3 produite par le moteur.
Exercice 8 :
On branche un rhéostat aux bornes d’un générateur de f.é.m. E = 5 V et de résistance interne r = 2 .
Soit R la résistance du fil du rhéostat comprise entre le curseur C et la borne A (voir figure ci-dessous).
1) Exprimer l’intensité I du courant en fonction de E, r et R. Faire l’application numérique pour R = 6 .
2) Exprimer la puissance P reçue par le rhéostat en fonction de E, r et R.
3) Pour qu’elle valeur de E la puissance P est-elle maximale ? Faire un calcul littéral, puis numérique.
( E, r )
C Rh
Exercice 9 :
Un électrolyseur dont les électrodes sont en fer contient une solution aqueuse d’hydroxyde de sodium. On le soumet à une
tension réglable U ; I est l’intensité du courant qui le traverse.
1) Faire un schéma du montage en mettant en place les éléments suivants :
- générateur continue à tension de sortie réglable ;
- interrupteur ;
- rhéostat, électrolyseur, ampèremètre, voltmètre.
2) Les résultats des différentes mesures sont consignés dans le tableau suivant :
U (V) 0 0,5 1,0 1,5 1,6 1,7 1,8 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0
I (A) 0 0 0 0 0,02 0,03 0,05 0,10 0,29 0,50 0,71 0,92 1,10 1,32
Tracer la caractéristique intensité-tension de l’électrolyseur en prenant :

en abscisse : 1 cm pour 100 mA
Echelle :
en ordonnées : 1 cm pour 0,5 V
Donner l’équation de la partie linéaire de cette caractéristique sous la forme : U = a + bI.

3) En déduire les valeurs, en unités S.I., de la f.c.é.m. E’ et de la résistance r’ de l’électrolyseur lorsqu’il dans la partie
linéaire de sa caractéristique.
4) L’électrolyseur précédent est désormais branché aux bornes d’une pile de f.é.m. E = 4,5 V et de résistance r = 1,5 .
-Calculer l’intensité i du courant qui le traverse.
-Quelle puissance électrique reçoit-il ?
-Quelle puissance dissipe-t-il par effet Joule ?
-De quelle puissance utile dispose-t-il pour effectuer les réactions chimiques aux électrodes ?
5) Ecrire les équations-bilan des réactions aux électrodes sachant qu’on observe :
-à l’anode : une oxydation des ions OH- avec dégagement de dioxygène ;
-à la cathode : une réduction de l’eau avec production de dihydrogène. Faire le bilan de l’électrolyse. Commenter.

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TD : FORCE ET CHAMP ELECTROSTATIQUES

Deux charges +q et –q sont placées respectivement en A et B. ( q = 1,4.10-9 C ; AB = 1,6 cm ).

Exercice 8 : A-q

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TD : TRAVAIL DE LA FORCE ELECTROSTATIQUE

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(E1, r1) ( E’, r ) ( E2 ; r2 )

( E’1, r1) ( E’2, r2 )

(Eo ,ro) (K)

1) On choisit R = 10  et on ferme l’interrupteur. Calculer l’intensité I du courant.

Tracer la caractéristique intensité-tension de l’électrolyseur en prenant :

Donner l’équation de la partie linéaire de cette caractéristique sous la forme : U = a + bI.

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