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MPSI · Physique-chimie · Mouvements et interactions · Chapitre 11

Particules chargées

Fiche de cours11 min de lecturePar Robin RinguetMise à jour : octobre 2026

1La force de Lorentz

Définition. Une particule ponctuelle de charge qq (grandeur algébrique, en coulombs) et de masse mm, animée de la vitesse v⃗\vv{v} dans un référentiel R\mathcal{R}, placée en un point où règnent un champ électrique E⃗\vv{E} et un champ magnétique B⃗\vv{B}, subit la force de Lorentz

 F⃗=q(E⃗+v⃗∧B⃗) (N).\boxed{\ \vv{F}=q\left(\vv{E}+\vv{v}\wedge\vv{B}\right)\ }\qquad ({\mathrm{N}}).

On appelle force électrique la part qE⃗q\vv{E} et force magnétique la part q v⃗∧B⃗q\,\vv{v}\wedge\vv{B}.

Notation. EE s’exprime en V⋅m−1{\mathrm{V}{\cdot}\mathrm{m}^{-1}}, BB en teslas (T{\mathrm{T}}). La charge élémentaire vaut e=1,60×10−19 Ce={1{,}60\times10^{-19}\,\mathrm{C}} : un électron porte q=−eq=-e, un proton q=+eq=+e, un ion nn fois chargé q=±neq=\pm n e. Masses : me=9,11×10−31 kgm_e={9{,}11\times10^{-31}\,\mathrm{kg}}, mp=1,67×10−27 kgm_p={1{,}67\times10^{-27}\,\mathrm{kg}}, et l’unité de masse atomique u=1,66×10−27 kgu={1{,}66\times10^{-27}\,\mathrm{kg}}.

Propriété — dimension de BB. L’égalité [qE]=[qvB][qE]=[qvB] impose [B]=[E]/[v][B]=[E]/[v] : E/BE/B est une vitesse. C’est l’ingrédient du sélecteur de vitesse.

Propriété — la force magnétique est orthogonale à la vitesse. Par définition du produit vectoriel, v⃗∧B⃗⊥v⃗\vv{v}\wedge\vv{B}\perp\vv{v} : la force magnétique est à chaque instant orthogonale à la vitesse, et sa norme vaut ∣q∣ v B ∣sin⁡θ∣\abs{q}\,v\,B\,\abs{\sin\theta} où θ=(v⃗,B⃗)\theta=(\vv{v},\vv{B}). Elle est nulle si v⃗=0⃗\vv{v}=\vv{0} ou si v⃗\vv{v} est colinéaire à B⃗\vv{B}.

Théorème — puissance de la force de Lorentz. La puissance de la force de Lorentz dans R\mathcal{R} est

P=F⃗⋅v⃗=q E⃗⋅v⃗+q (v⃗∧B⃗)⋅v⃗= q E⃗⋅v⃗ \mathcal{P}=\vv{F}\cdot\vv{v}=q\,\vv{E}\cdot\vv{v}+q\,(\vv{v}\wedge\vv{B})\cdot\vv{v} =\boxed{\ q\,\vv{E}\cdot\vv{v}\ }

car (v⃗∧B⃗)⋅v⃗=0(\vv{v}\wedge\vv{B})\cdot\vv{v}=0 (produit mixte à deux vecteurs égaux). Par le théorème de la puissance cinétique,  ⁣dEc ⁣dt=q E⃗⋅v⃗\dfrac{\dd E_c}{\dd t}=q\,\vv{E}\cdot\vv{v} :

  • un champ électrique peut modifier l’énergie cinétique de la particule (il l’accélère ou la freine) ;
  • un champ magnétique ne travaille jamais : il courbe la trajectoire sans fournir ni prélever d’énergie. En particulier, s’il agit seul, ∥v⃗∥\norme{\vv{v}} est constante.

Propriété — le poids est toujours négligeable… sauf pour un objet macroscopique. Pour un électron dans un champ modeste E=1,0×103 V⋅m−1E={1{,}0\times10^{3}\,\mathrm{V}{\cdot}\mathrm{m}^{-1}}, eEmeg=1,6×10−168,9×10−30=1,8×1013\dfrac{eE}{m_eg}=\dfrac{1{,}6\times10^{-16}}{8{,}9\times10^{-30}}={1{,}8\times10^{13}}. On néglige systématiquement le poids d’une particule élémentaire — mais il faut le dire et le justifier. En revanche, pour une goutte d’encre chargée ou une gouttelette d’huile, le rapport descend à quelques centaines : le poids compte.

2Mouvement dans un champ électrique uniforme

Théorème — accélération constante. Une particule (q,m)(q,m) soumise au seul champ électrique uniforme et stationnaire E⃗\vv{E}, dans un référentiel galiléen, vérifie

m a⃗=q E⃗⟹ a⃗=qm E⃗=cte→ m\,\vv{a}=q\,\vv{E}\qquad\Longrightarrow\qquad \boxed{\ \vv{a}=\frac{q}{m}\,\vv{E}=\overrightarrow{\text{cte}}\ }

Le mouvement est donc uniformément accéléré : c’est exactement le problème de la chute libre, avec qmE⃗\dfrac{q}{m}\vv{E} à la place de g⃗\vv{g}. La trajectoire est une droite si v⃗0\vv{v}_0 est colinéaire à E⃗\vv{E}, une parabole sinon, contenue dans le plan (v⃗0,E⃗)(\vv{v}_0,\vv{E}).

AttentionLe signe de la charge

L’accélération est dirigée selon E⃗\vv{E} si q>0q>0, en sens inverse de E⃗\vv{E} si q<0q<0. Un électron est dévié du côté opposé à E⃗\vv{E}, donc attiré vers la plaque positive. C’est l’erreur la plus fréquente du chapitre.

Notation. Condensateur plan. Entre deux plaques parallèles distantes de dd portées à la différence de potentiel UU, le champ est uniforme, orthogonal aux plaques, dirigé de la plaque (+)(+) vers la plaque (−)(-), et de norme

E=Ud.E=\frac{U}{d}.

Ne jamais confondre UU (en volts) et EE (en V⋅m−1{\mathrm{V}{\cdot}\mathrm{m}^{-1}}).

Figure 1 — Accélération : l’électron, parti de la plaque négative, gagne l’énergie eUeU.

Figure 2 — Déviation : parabole entre les plaques, droite ensuite. DD est mesurée depuis le centre des plaques.

Méthode — mise en équation d’une déviation. (i) repère : OxOx selon v⃗0\vv{v}_0, OyOy selon la déviation, origine à l’entrée du champ ; (ii) écrire ma⃗=qE⃗m\vv{a}=q\vv{E} et projeter ; (iii) intégrer deux fois avec v⃗(0)=v0u⃗x\vv{v}(0)=v_0\vv{u}_x, r⃗(0)=0⃗\vv{r}(0)=\vv{0} ; (iv) éliminer tt ; (v) évaluer en x=Lx=L.

Théorème — déviation dans un condensateur plan. Avec E⃗=−E u⃗y\vv{E}=-E\,\vv{u}_y (E>0E>0) et une charge q<0q<0 (électron), en posant a=∣q∣Ema=\dfrac{\abs{q}E}{m} :

x(t)=v0t,y(t)=12 a t2,donc y(x)=∣q∣ E2 m v0 2  x2 x(t)=v_0t,\qquad y(t)=\frac12\,a\,t^2,\qquad\text{donc}\qquad \boxed{\ y(x)=\frac{\abs{q}\,E}{2\,m\,v_0^{\,2}}\;x^{2}\ }

la trajectoire est une parabole. À la sortie des plaques (x=Lx=L) :

y1=∣q∣ E L22 m v0 2,tan⁡α=vyvx=∣q∣ E Lm v0 2=2 y1L.y_1=\frac{\abs{q}\,E\,L^{2}}{2\,m\,v_0^{\,2}},\qquad \tan\alpha=\frac{v_y}{v_x}=\frac{\abs{q}\,E\,L}{m\,v_0^{\,2}}=\frac{2\,y_1}{L}.

Comme tan⁡α=2y1/L\tan\alpha=2y_1/L, la tangente de sortie passe par le milieu des plaques : si DD désigne la distance du centre des plaques à l’écran,

 Y=D tan⁡α \boxed{\ Y=D\,\tan\alpha\ }

exactement, et non seulement en approximation.

Propriété — forme condensée. Si la particule a été préalablement accélérée sous la tension U0U_0, alors mv0 2=2∣q∣U0m v_0^{\,2}=2\abs{q}U_0 et, avec E=U/dE=U/d :

tan⁡α=U L2 U0 d,y1=U L24 U0 d,Y=U L D2 U0 d.\tan\alpha=\frac{U\,L}{2\,U_0\,d},\qquad y_1=\frac{U\,L^{2}}{4\,U_0\,d},\qquad Y=\frac{U\,L\,D}{2\,U_0\,d}.

Ces expressions ne dépendent plus ni de qq ni de mm : un dispositif de déviation électrostatique est insensible à la nature de la particule, pourvu que la tension d’accélération soit la même.

AttentionVérifier que la particule sort !

La condition de non-interception est y1⩽d/2y_1\leq d/2, soit tan⁡α⩽d/L\tan\alpha\leq d/L, soit U⩽2U0 d2/L2U\leq 2U_0\,d^{2}/L^{2}. Un énoncé où la particule heurte une plaque est un énoncé faux : ce contrôle est systématique.

3Aspect énergétique : l’électron-volt

Théorème — vitesse acquise sous une différence de potentiel. Une particule (q,m)(q,m) partant du repos et accélérée par un champ électrique entre deux points dont la différence de potentiel est telle que la force la pousse, acquiert, d’après le théorème de l’énergie cinétique appliqué à la seule force électrique (le poids étant négligé) :

12 m v2−0=∣q∣ U⟹ v=2 ∣q∣ Um \frac12\,m\,v^{2}-0=\abs{q}\,U\qquad\Longrightarrow\qquad \boxed{\ v=\sqrt{\frac{2\,\abs{q}\,U}{m}}\ }

où U>0U>0 est la valeur absolue de la différence de potentiel traversée. Le résultat ne dépend ni de dd, ni de la forme du champ : seule compte la tension.

Définition. L’électron-volt est l’énergie acquise par une particule de charge ±e\pm e accélérée sous une tension de 1 V{1\,\mathrm{V}} :

 1 eV=1,60×10−19 J \boxed{\ {1\,\mathrm{eV}}={1{,}60\times10^{-19}\,\mathrm{J}}\ }

Une particule de charge nen e accélérée sous U0U_0 possède l’énergie n U0n\,U_0 (en eV) : un électron sous 1,0 kV{1{,}0\,\mathrm{kV}} a 1,0 keV{1{,}0\,\mathrm{keV}}, un ion He2+\mathrm{He}^{2+} sous 1,0 kV{1{,}0\,\mathrm{kV}} a 2,0 keV{2{,}0\,\mathrm{keV}}.

Exempleles ordres de grandeur à connaître

Électron sous U0=1,0 kVU_0={1{,}0\,\mathrm{kV}} : v=1,9×107 m⋅s−1v={1{,}9\times10^{7}\,\mathrm{m}{\cdot}\mathrm{s}^{-1}}, soit v/c=6,2%v/c={6{,}2\%}. Proton sous la même tension : v=4,4×105 m⋅s−1v={4{,}4\times10^{5}\,\mathrm{m}{\cdot}\mathrm{s}^{-1}}, soit mp/me=43\sqrt{m_p/m_e}=43 fois moins vite.

Attentionla limite relativiste

La formule v=2∣q∣U/mv=\sqrt{2\abs{q}U/m} est classique. Pour un électron sous 1,0 MV{1{,}0\,\mathrm{MV}} elle donne v=5,9×108 m⋅s−1>cv={5{,}9\times10^{8}\,\mathrm{m}{\cdot}\mathrm{s}^{-1}}>c : c’est absurde. Contrôler systématiquement v/cv/c ; au-delà de 10%{10\%} environ, le traitement classique n’est qu’indicatif (hors programme).

4Mouvement dans un champ magnétostatique uniforme

Notation. On se place dans le seul cas exigible : B⃗=B u⃗z\vv{B}=B\,\vv{u}_z uniforme et stationnaire, v⃗0⊥B⃗\vv{v}_0\perp\vv{B}, le poids étant négligé et E⃗=0⃗\vv{E}=\vv{0}.

Théorème — mouvement circulaire uniforme. Dans ces conditions, le mouvement est plan (dans le plan contenant v⃗0\vv{v}_0 et orthogonal à B⃗\vv{B}), uniforme et circulaire, de rayon et de pulsation

 R=m v0∣q∣ B  ωc=∣q∣ Bm Tc=2πωc=2π m∣q∣ B.\boxed{\ R=\frac{m\,v_0}{\abs{q}\,B}\ }\qquad\qquad \boxed{\ \omega_c=\frac{\abs{q}\,B}{m}\ }\qquad\qquad T_c=\frac{2\pi}{\omega_c}=\frac{2\pi\,m}{\abs{q}\,B}.

Démonstration exigible, en trois temps.

  • Le mouvement est uniforme : la puissance de la force magnétique est nulle, donc EcE_c, donc v=∥v⃗∥v=\norme{\vv{v}}, est constante.
  • Le mouvement est plan : m ⁣dv⃗ ⁣dt=q v⃗∧B⃗m\dfrac{\dd\vv{v}}{\dd t}=q\,\vv{v}\wedge\vv{B} est à chaque instant orthogonale à B⃗\vv{B}, donc  ⁣d ⁣dt(v⃗⋅u⃗z)=0\dfrac{\dd}{\dd t}(\vv{v}\cdot\vv{u}_z)=0 : la composante vzv_z reste nulle, le mouvement se fait dans le plan z=0z=0.
  • Le mouvement est circulaire : dans le repère de Frenet, a⃗=v˙ T⃗+v2ρ N⃗\vv{a}=\dot v\,\vv{T}+\dfrac{v^{2}}{\rho}\,\vv{N}. Or v˙=0\dot v=0 et ∥a⃗∥=∣q∣ v Bm\norme{\vv{a}}=\dfrac{\abs{q}\,v\,B}{m} (car v⃗⊥B⃗\vv{v}\perp\vv{B}). Donc v2ρ=∣q∣vBm\dfrac{v^{2}}{\rho}=\dfrac{\abs{q}vB}{m}, soit ρ=mv∣q∣B\rho=\dfrac{m v}{\abs{q}B} : le rayon de courbure est constant, la trajectoire est un cercle de rayon R=ρR=\rho.

Propriété — le sens de parcours. Le centre du cercle est du côté vers lequel pointe la force q v⃗∧B⃗q\,\vv{v}\wedge\vv{B}, à la distance RR. Avec B⃗\vv{B} entrant dans la feuille : une charge positive tourne dans le sens trigonométrique (direct), une charge négative dans le sens horaire. On retrouve le sens en appliquant la règle de la main droite à v⃗∧B⃗\vv{v}\wedge\vv{B}, puis en tenant compte du signe de qq.

Figure 3 — Même champ, même vitesse initiale : le sens de rotation ne dépend que du signe de qq.

Théorème — propriété fondamentale du mouvement cyclotron. La période Tc=2πm∣q∣BT_c=\dfrac{2\pi m}{\abs{q}B} ne dépend ni de la vitesse, ni du rayon : elle ne dépend que de la particule et du champ. Toutes les particules identiques tournent « au même rythme », quelle que soit leur énergie. C’est cette propriété — et elle seule — qui rend le cyclotron possible.

Propriété — deux écritures utiles du rayon. En fonction de l’énergie cinétique, ou de la tension d’accélération U0U_0 :

R=2 m Ec∣q∣ B=1B2 m U0∣q∣ ∝ m.R=\frac{\sqrt{2\,m\,E_c}}{\abs{q}\,B} =\frac{1}{B}\sqrt{\frac{2\,m\,U_0}{\abs{q}}}\ \propto\ \sqrt{m}.

À U0U_0 et BB fixés, RR croît comme m\sqrt{m} : c’est le principe du spectromètre de masse.

Exempleordres de grandeur

Électron de 1,0 keV{1{,}0\,\mathrm{keV}} dans B=0,10 TB={0{,}10\,\mathrm{T}} : v=1,9×107 m⋅s−1v={1{,}9\times10^{7}\,\mathrm{m}{\cdot}\mathrm{s}^{-1}}, R=1,1 mmR={1{,}1\,\mathrm{mm}}, Tc=0,36 nsT_c={0{,}36\,\mathrm{ns}}. Proton de 1,0 MeV{1{,}0\,\mathrm{MeV}} dans B=1,0 TB={1{,}0\,\mathrm{T}} : v=1,4×107 m⋅s−1v={1{,}4\times10^{7}\,\mathrm{m}{\cdot}\mathrm{s}^{-1}}, R=14 cmR={14\,\mathrm{cm}}, Tc=66 nsT_c={66\,\mathrm{ns}} (fc=15 MHzf_c={15\,\mathrm{MHz}}).

5Les applications à connaître

Propriété — accélérateur linéaire. Une succession de tubes conducteurs (où E⃗=0⃗\vv{E}=\vv{0}, la particule se contente de glisser) séparés par des intervalles où règne un champ alternatif de fréquence ff. La particule traverse chaque intervalle au moment favorable et gagne ∣q∣U0\abs{q}U_0 à chaque fois : après nn intervalles, Ec=n ∣q∣ U0E_c=n\,\abs{q}\,U_0 et vn=2n∣q∣U0/m∝nv_n=\sqrt{2n\abs{q}U_0/m}\propto\sqrt{n}. Le tube nn doit être parcouru en une demi-période, d’où

ℓn=vn2f ∝ n :\ell_n=\frac{v_n}{2f}\ \propto\ \sqrt{n}\,:

les tubes s’allongent, et l’accélérateur est long. C’est le champ électrique, et lui seul, qui accélère.

Propriété — cyclotron. Deux demi-boîtes (« dees ») plongées dans B⃗\vv{B} uniforme, séparées par un intervalle soumis à une tension alternative d’amplitude U0U_0. Dans chaque dee le mouvement est circulaire uniforme ; à chaque traversée de l’intervalle la particule gagne ∣q∣U0\abs{q}U_0. Le dispositif fonctionne si et seulement si la fréquence du générateur est accordée sur la fréquence cyclotron :

fHF=fc=∣q∣ B2π m(condition de reˊsonance).f_{\mathrm{HF}}=f_c=\frac{\abs{q}\,B}{2\pi\,m}\qquad\text{(condition de résonance)}.

Après nn traversées, Rn=1B2mnU0∣q∣=Rmax⁡n/NR_n=\dfrac{1}{B}\sqrt{\dfrac{2mnU_0}{\abs{q}}}=R_{\max}\sqrt{n/N} : la trajectoire est une spirale dont le pas se resserre. L’énergie finale est fixée par le rayon maximal :

Ec,max⁡=q2B2Rmax⁡22m,N=Ec,max⁡∣q∣ U0 traverseˊes,N2 tours.E_{c,\max}=\frac{q^{2}B^{2}R_{\max}^{2}}{2m},\qquad N=\frac{E_{c,\max}}{\abs{q}\,U_0}\ \text{traversées},\quad \frac{N}{2}\ \text{tours}.

Limite : lorsque vv approche cc, TcT_c n’est plus constante et la synchronisation est perdue (d’où le synchrocyclotron, hors programme).

Propriété — sélecteur de vitesse (filtre de Wien). Champs E⃗\vv{E} et B⃗\vv{B} croisés, tous deux orthogonaux à la vitesse d’entrée. La force totale est nulle si et seulement si qE⃗+q v⃗∧B⃗=0⃗q\vv{E}+q\,\vv{v}\wedge\vv{B}=\vv{0}, c’est-à-dire

 v=EB \boxed{\ v=\frac{E}{B}\ }

indépendamment de qq et de mm : seules les particules de cette vitesse traversent sans être déviées, les autres sont arrêtées par une fente. Le sélecteur ne trie que la vitesse.

Propriété — spectromètre de masse. En amont, une accélération sous U0U_0 (ou un sélecteur de vitesse) ; en aval, un secteur magnétique où la particule décrit un demi-cercle et frappe un détecteur à la distance 2R2R de la fente. Deux isotopes se séparent de Δ(2R)=2(R2−R1)\Delta(2R)=2(R_2-R_1), avec R∝mR\propto\sqrt m (après accélération) ou R∝mR\propto m (après sélecteur). Focalisation à 180∘180^\circ : pour une divergence ±ε\pm\varepsilon, les impacts sont à 2Rcos⁡ε2R\cos\varepsilon de la fente ; l’élargissement 2R(1−cos⁡ε)≈Rε22R(1-\cos\varepsilon)\approx R\varepsilon^{2} est du second ordre — le secteur est auto-focalisant.

Propriété — déviation dans un oscilloscope. Un canon à électrons (accélération sous U0U_0) suivi de deux paires de plaques orthogonales, puis d’un écran. La sensibilité verticale vaut YU=L D2 U0 d\dfrac YU=\dfrac{L\,D}{2\,U_0\,d} (m⋅V−1{\mathrm{m}{\cdot}\mathrm{V}^{-1}}), indépendante de qq et mm : augmenter U0U_0 rend la trace plus lumineuse mais moins sensible.

Figure 4 — Sélecteur de vitesse : seules les particules à v=E/Bv=E/B passent, quelles que soient qq et mm.

Figure 5 — Cyclotron : accélération dans l’intervalle, demi-cercles dans les dees.

6Démonstrations à savoir refaire

  • Puissance de la force de Lorentz : P=qE⃗⋅v⃗\mathcal{P}=q\vv{E}\cdot\vv{v}, car (v⃗∧B⃗)⋅v⃗=0(\vv{v}\wedge\vv{B})\cdot\vv{v}=0 ; conséquence sur EcE_c.
  • Comparaison des forces : calculer ∣q∣E/(mg)\abs{q}E/(mg) et ∣q∣vB/(mg)\abs{q}vB/(mg), conclure.
  • Mouvement dans E⃗\vv{E} uniforme : a⃗=qmE⃗\vv{a}=\dfrac qm\vv{E} constante, parabole, y1y_1 et tan⁡α\tan\alpha ; Y=Dtan⁡αY=D\tan\alpha (DD depuis le centre des plaques).
  • Vitesse acquise sous UU : théorème de l’énergie cinétique, v=2∣q∣U/mv=\sqrt{2\abs{q}U/m} ; contrôle de v/cv/c.
  • Mouvement circulaire uniforme dans B⃗\vv{B} : uniforme (puissance nulle), plan (vzv_z constante), circulaire (Frenet) ; R=mv/(∣q∣B)R=mv/(\abs{q}B), ωc=∣q∣B/m\omega_c=\abs{q}B/m, sens de parcours.
  • Indépendance de TcT_c vis-à-vis de vv et condition de résonance du cyclotron.
  • Sélecteur de vitesse : v=E/Bv=E/B, indépendance en qq et mm.
  • R∝mR\propto\sqrt{m} après accélération sous U0U_0 : R=1B2mU0/∣q∣R=\dfrac{1}{B}\sqrt{2mU_0/\abs{q}}.

7Savoir-faire du chapitre

Savoir-faire
  • Évaluer et comparer les ordres de grandeur des forces électrique, magnétique et du poids ; justifier que le poids est négligeable (ou non).
  • Justifier qu’un champ électrique modifie EcE_c mais qu’un champ magnétique courbe la trajectoire sans fournir d’énergie.
  • Établir les équations du mouvement dans E⃗\vv{E} uniforme, reconnaître une accélération constante, obtenir la trajectoire.
  • Mener un bilan énergétique pour la vitesse acquise sous une différence de potentiel ; convertir en électron-volts ; contrôler v/cv/c.
  • Déterminer rayon, pulsation, période et sens de parcours pour v⃗0⊥B⃗\vv{v}_0\perp\vv{B} uniforme.
  • Exploiter les montages types : accélérateur linéaire, cyclotron, sélecteur de vitesse, spectromètre de masse, oscilloscope.
  • Contrôler la cohérence : homogénéité, v<cv<c, non-interception des plaques, poids négligeable.
FormulaireLes relations à connaître par cœur
  • Force de Lorentz : F⃗=q(E⃗+v⃗∧B⃗)\vv{F}=q\left(\vv{E}+\vv{v}\wedge\vv{B}\right) ; puissance : P=q E⃗⋅v⃗\mathcal{P}=q\,\vv{E}\cdot\vv{v}.
  • Condensateur plan : E=U/dE=U/d ; accélération : a⃗=qmE⃗\vv{a}=\dfrac{q}{m}\vv{E} ; vitesse acquise : v=2∣q∣Umv=\sqrt{\dfrac{2\abs{q}U}{m}}.
  • Déviation : y(x)=∣q∣E2mv0 2x2y(x)=\dfrac{\abs{q}E}{2mv_0^{\,2}}x^{2} ; tan⁡α=∣q∣ELmv0 2=UL2U0d\tan\alpha=\dfrac{\abs{q}EL}{mv_0^{\,2}}=\dfrac{UL}{2U_0d} ; Y=Dtan⁡αY=D\tan\alpha ; y1⩽d/2y_1\leq d/2.
  • Champ magnétique : R=mv∣q∣B=1B2mU0∣q∣R=\dfrac{mv}{\abs{q}B}=\dfrac{1}{B}\sqrt{\dfrac{2mU_0}{\abs{q}}} ; ωc=∣q∣Bm\omega_c=\dfrac{\abs{q}B}{m} ; Tc=2πm∣q∣BT_c=\dfrac{2\pi m}{\abs{q}B} (indépendante de vv).
  • Sélecteur de vitesse : v=E/Bv=E/B. Cyclotron : fHF=∣q∣B2πmf_{\mathrm{HF}}=\dfrac{\abs{q}B}{2\pi m}, Ec,max⁡=q2B2Rmax⁡22mE_{c,\max}=\dfrac{q^{2}B^{2}R_{\max}^{2}}{2m}.
  • Constantes : e=1,60×10−19 Ce={1{,}60\times10^{-19}\,\mathrm{C}} ; me=9,11×10−31 kgm_e={9{,}11\times10^{-31}\,\mathrm{kg}} ; mp=1,67×10−27 kgm_p={1{,}67\times10^{-27}\,\mathrm{kg}} ; u=1,66×10−27 kgu={1{,}66\times10^{-27}\,\mathrm{kg}} ; 1 eV=1,60×10−19 J{1\,\mathrm{eV}}={1{,}60\times10^{-19}\,\mathrm{J}} ; c=3,00×108 m⋅s−1c={3{,}00\times10^{8}\,\mathrm{m}{\cdot}\mathrm{s}^{-1}}. Repères : électron sous 1 kV{1\,\mathrm{kV}} →\to 1,9×107 m⋅s−1{1{,}9\times10^{7}\,\mathrm{m}{\cdot}\mathrm{s}^{-1}} ; EE entre plaques 10310^{3} à 106 V⋅m−1{10^{6}\,\mathrm{V}{\cdot}\mathrm{m}^{-1}} ; BB de laboratoire 0,1 {0{,}1\,} à 1 T{1\,\mathrm{T}}.
Pièges
  • Oublier le signe de la charge : un électron est dévié à l’opposé de E⃗\vv{E} et tourne dans le sens inverse d’un proton dans le même B⃗\vv{B}. Se tromper dans l’orientation de v⃗∧B⃗\vv{v}\wedge\vv{B}, ou appliquer la règle de la main droite à F⃗\vv{F} au lieu de v⃗∧B⃗\vv{v}\wedge\vv{B}.
  • Croire que le champ magnétique « accélère » la particule : il ne modifie jamais ∥v⃗∥\norme{\vv{v}}, sa puissance est nulle. Dans un cyclotron, c’est le champ électrique de l’intervalle qui accélère.
  • Confondre UU et EE : entre deux plaques planes, E=U/dE=U/d, jamais E=UE=U.
  • Traiter le cas magnétique avec une vitesse initiale quelconque : hors programme, et la trajectoire n’est plus un cercle mais une hélice.
  • Négliger le poids sans le dire — ou le négliger alors qu’il ne l’est pas (goutte d’encre). Oublier de vérifier que la particule ne heurte pas une plaque (y1⩽d/2y_1\leq d/2) : l’énoncé devient faux.
  • Utiliser v=2∣q∣U/mv=\sqrt{2\abs{q}U/m} sans contrôler v/cv/c. Croire que TcT_c dépend de la vitesse. Écrire R=∣q∣B/(mv)R=\abs{q}B/(mv) : contrôler l’homogénéité, RR est une longueur.

Exercices, contrôles et sujets

Les énoncés sont en accès libre, à télécharger en PDF.

1

Exercices de base

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Les bases : force de Lorentz, champ électrique uniforme, champ magnétostatique uniforme

11 exercicesniveau Difficulté 1 sur 3 à Difficulté 2 sur 3durée conseillée : 2 hcalculatrice autorisée

  1. Comparer les trois forcesDifficulté 1 sur 3
  2. Accélération sous une différence de potentielDifficulté 1 sur 3
  3. Le canon à électronsDifficulté 1 sur 3
  4. Déviation entre deux plaquesDifficulté 1 sur 3
  5. L’analogie avec la chute libreDifficulté 1 sur 3
  6. Rayon et période cyclotronDifficulté 1 sur 3
  7. Un virage à 90∘{90^{\circ}}Difficulté 2 sur 3
  8. Qui accélère, qui dévie ?Difficulté 1 sur 3
  9. Le sélecteur de vitesseDifficulté 1 sur 3
  10. Séparer deux isotopes du néonDifficulté 2 sur 3
  11. Sensibilité d’un oscilloscopeDifficulté 2 sur 3
2

Exercices d'application

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Applications : canons, accélérateurs, spectromètres, sélecteurs

9 exercicesniveau Difficulté 2 sur 3durée conseillée : 3 hcalculatrice autorisée

  1. Le tube cathodique d’un oscilloscopeDifficulté 2 sur 3
  2. L’accélérateur linéaire à tubes de glissementDifficulté 2 sur 3
  3. Un cyclotron à protonsDifficulté 2 sur 3
  4. Spectromètre à double focalisationDifficulté 2 sur 3
  5. Spectromètre à temps de volDifficulté 2 sur 3
  6. Déviation magnétique d’un faisceau d’électronsDifficulté 2 sur 3
  7. La mesure historique de e/mDifficulté 2 sur 3
  8. Une tête d’impression à jet d’encreDifficulté 2 sur 3
  9. Capacité numérique : le schéma d’Euler et la force de LorentzDifficulté 2 sur 3
3

Interrogation A

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Force de Lorentz, champ électrique uniforme, champ magnétostatique uniforme

Durée : 1 hcalculatrice autorisée3 exercices indépendantsbarème sur 20

  1. Questions de cours6 ptsDifficulté 1 sur 3
  2. Un déviateur électrostatique de faisceau7 ptsDifficulté 2 sur 3
  3. Un spectromètre de masse à argon7 ptsDifficulté 2 sur 3
4

Interrogation B

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Cyclotron, sélecteur de vitesse et identification d’ions

Durée : 1 hcalculatrice autorisée3 exercices indépendantsbarème sur 20

  1. Questions de cours6 ptsDifficulté 2 sur 3
  2. Un cyclotron à deutons7 ptsDifficulté 2 sur 3
  3. Identifier des ions7 ptsDifficulté 2 sur 3
5

Approfondissement

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Démonstrations refaites autrement, focalisations, cycloïde, limites du modèle

8 exercicesniveau Difficulté 3 sur 3durée conseillée : 4 hcalculatrice autorisée

  1. Le mouvement cyclotron par les complexesDifficulté 3 sur 3
  2. Traverser — ou non — une zone de champ magnétiqueDifficulté 3 sur 3
  3. Pourquoi un secteur à 180∘{180^{\circ}} est auto-focalisantDifficulté 3 sur 3
  4. Le réflectron : corriger la dispersion en énergieDifficulté 3 sur 3
  5. Champs croisés : la cycloïde (hors programme — pour aller plus loin)Difficulté 3 sur 3
  6. Le mouvement hélicoïdal (hors programme — pour aller plus loin)Difficulté 3 sur 3
  7. La limite relativiste du cyclotron (hors programme — pour aller plus loin)Difficulté 3 sur 3
  8. L’effet Hall (hors programme — pour aller plus loin)Difficulté 3 sur 3
6

DS type concours

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L’implanteur ionique

Durée : 3 hcalculatrice autorisée3 parties21 questionsbarème indicatif sur 20

7

Planche de colle

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Une question de cours et quatre exercices d’oral

1 question de cours4 exercicesniveau Difficulté 1 sur 3 à Difficulté 3 sur 3environ 20 min{20\,\mathrm{min}} par exercice

  1. Question de coursDifficulté 1 sur 3
  2. Déviation d’un faisceau d’électronsDifficulté 1 sur 3
  3. Un cyclotron à particules α\alphaDifficulté 2 sur 3
  4. Séparer les isotopes du lithiumDifficulté 2 sur 3
  5. Le champ magnétique terrestre dans un tube cathodiqueDifficulté 3 sur 3

Prépa · Physique-chimie : les 26 chapitres

  1. Mesures et incertitudes
  2. Optique géométrique
  3. Circuits dans l’ARQS
  4. Circuits du premier ordre
  5. Oscillateurs libres et forcés
  6. Filtrage linéaire
  7. Propagation et interférences
  8. Cinématique du point
  9. Lois de Newton
  10. Énergétique du point
  11. Particules chargées
  12. Transformations de la matière
  13. Cinétique chimique
  14. Structure des entités chimiques
  15. Moment cinétique et forces centrales
  16. Mouvement d’un solide
  17. Système thermodynamique
  18. Premier principe
  19. Deuxième principe
  20. Machines thermiques
  21. Champ magnétique et forces de Laplace
  22. Induction
  23. Physique quantique
  24. Solides cristallins
  25. Acide-base et précipitation
  26. Oxydo-réduction et diagrammes E-pH