Particule chargée dans un champ électrique uniforme
Objectifs
À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• étudier l'accélération d'une particule chargée par un champ électrique uniforme ;
• étudier sa déviation quand elle entre perpendiculairement au champ ;
• expliquer le principe du canon à électrons et de l'oscilloscope.
Situation
Dans un oscilloscope à tube, un faisceau d'électrons très rapides frappe un écran et y dessine la courbe d'une tension. Comment des plaques chargées peuvent-elles accélérer ces électrons, puis les dévier ?
I. Accélérer une particule chargée
1. Le mouvement rectiligne uniformément accéléré
Dans une ampoule sous vide, deux plaques P1 et P2 percées de trous O1 et O2 sont soumises à la tension U = UP1P2. Une particule de charge q > 0 arrive en O1 avec une vitesse pratiquement nulle.
- Son poids est négligeable devant la force électrique (pour un électron sous 1 kV et 5 cm, P/Fe ≈ 3.10-15).
- Deuxième loi de Newton : q E→ = m a→ : l'accélération est constante, a = q U / (m d), et la vitesse initiale nulle : le mouvement est rectiligne uniformément accéléré.
- Vitesse de sortie, par le théorème de l'énergie cinétique : 12 m v2 - 0 = q U, d'où :
Il faut que q et U soient de même signe : pour accélérer des électrons, P2 doit être au potentiel le plus élevé.
Un électron (m = 9,1.10-31 kg) accéléré sous 1 000 V sort à 2 × 1,6.10-19 × 1000 / 9,1.10-31 ≈ 1,9.107 m.s-1.
2. Le canon à électrons
Dans un tube sous vide, un filament chauffe la cathode C qui émet des électrons presque sans vitesse. Des électrodes portées à des potentiels croissants les accélèrent :
Les électrodes
- la grille G (UGC = 100 V) éloigne les électrons de la cathode et règle leur débit, donc la luminosité du spot ;
- l'électrode de focalisation F (UFG = 1 000 V) concentre le faisceau ;
- l'anode A (UAF = 900 V) achève l'accélération.
Sous la tension totale UAC = 2 000 V, les électrons sortent tous à la même vitesse (faisceau homocinétique) : v = 2e UAC/m ≈ 26 500 km.s-1.
II. Dévier une particule chargée
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