Commit 0d071873 authored by Claude Meny's avatar Claude Meny

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Pipeline #16564 canceled with stage
...@@ -60,13 +60,13 @@ $`\def\PSclosed{\mathscr{S}_{\displaystyle\tiny\bigcirc}}`$ ...@@ -60,13 +60,13 @@ $`\def\PSclosed{\mathscr{S}_{\displaystyle\tiny\bigcirc}}`$
##### Application du théorème de **Gauss intégral** aux : ##### Application du théorème de **Gauss intégral** aux :
### **Distributions cylindriques de charge** ### **Distributions cylindriques de charges**
* Le terme **cylindrique** réfère à l'*aspect extérieur* de la distribution de charge. * Le terme **cylindrique** réfère à l'*aspect extérieur* de la distribution de charges.
#### Propriétés nécessaires au théorème de Gauss #### Propriétés nécessaires au théorème de Gauss
* Le théorème de Gauss sera utilisable si une distribution cylindrique de charge possède les deux éléments de symétrie suivants : * Le théorème de Gauss sera utilisable si une distribution cylindrique de charges possède les deux éléments de symétrie suivants :
* une *symétrie de révolution* * une *symétrie de révolution*
* une **symétrie de translation** * une **symétrie de translation**
...@@ -90,12 +90,12 @@ $`\def\PSclosed{\mathscr{S}_{\displaystyle\tiny\bigcirc}}`$ ...@@ -90,12 +90,12 @@ $`\def\PSclosed{\mathscr{S}_{\displaystyle\tiny\bigcirc}}`$
#### Comment caractériser cette distribution de charges ? #### Comment caractériser cette distribution de charges ?
* La distribution de charges est décrite par une **densité de charge $`\dens=\dens(\rho,\varphi,z)`$**. * La distribution de charges est décrite par une **densité de charges $`\dens=\dens(\rho,\varphi,z)`$**.
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* L'*invariance par rotation* d'angle $`\Delta\varphi`$ quelconque impose **$`\require{\cancel}\dens= \dens(\rho,\xcancel{\varphi}, z)`$**. * L'*invariance par rotation* d'angle $`\Delta\varphi`$ quelconque impose **$`\require{\cancel}\dens= \dens(\rho,\xcancel{\varphi}, z)`$**.
* L'*invariance par translation* de longueur $`\Delta z`$ quelconque impose **$`\require{cancel}\dens= \dens(\rho,\varphi, \xcancel{z})`$**. * L'*invariance par translation* de longueur $`\Delta z`$ quelconque impose **$`\require{cancel}\dens= \dens(\rho,\varphi, \xcancel{z})`$**.
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* *Au final*, la densité volumique de charge **$`\dens`$ ne dépend que de z** : * *Au final*, la densité volumique de charges **$`\dens`$ ne dépend que de z** :
*$`\mathbf{\left.\begin{array}{l} *$`\mathbf{\left.\begin{array}{l}
\dens=\dens\,(\rho, z) \\ \dens=\dens\,(\rho, z) \\
\dens=\dens\,(\rho, \varphi) \dens=\dens\,(\rho, \varphi)
...@@ -105,7 +105,7 @@ $`\def\PSclosed{\mathscr{S}_{\displaystyle\tiny\bigcirc}}`$ ...@@ -105,7 +105,7 @@ $`\def\PSclosed{\mathscr{S}_{\displaystyle\tiny\bigcirc}}`$
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![](electrostatics-gauss-cylindrical-charge-distribution-1-v7_L1200.gif) ![](electrostatics-gauss-cylindrical-charge-distribution-1-v7_L1200.gif)
_Un cylindre infini est, lorsqu'il est chargé uniformément en volume, l'exemple le plus simple de distribution de charge à symétrie cylindrique. Corriger_ $`\vec{e_r}`$ _en_ $`\vec{e_{\rho}}`$. _Un cylindre infini est, lorsqu'il est chargé uniformément en volume, l'exemple le plus simple de distribution de chargess à symétrie cylindrique. Corriger_ $`\vec{e_r}`$ _en_ $`\vec{e_{\rho}}`$.
#### De quelles coordonnées dépend $`\overrightarrow{E}`$ ? #### De quelles coordonnées dépend $`\overrightarrow{E}`$ ?
...@@ -203,11 +203,11 @@ $`\displaystyle\quad= E \iint_{\mathcal{S}_{lat}} \rho_M\,d\varphi\,dz`$ ...@@ -203,11 +203,11 @@ $`\displaystyle\quad= E \iint_{\mathcal{S}_{lat}} \rho_M\,d\varphi\,dz`$
* $`\overrightarrow{E}(\rho, \varphi, z)=E(\rho)\,\overrightarrow{e_{\rho}}`$ * $`\overrightarrow{E}(\rho, \varphi, z)=E(\rho)\,\overrightarrow{e_{\rho}}`$
* $`\Phi_E^{\mathcal{S}_G}= 2\pi \rho_M\,h\, E`$ , avec $`\Phi_E`$ le flux de $`\overrightarrow{E}`$ à travers $`{\mathcal{S}_G}`$ * $`\Phi_E^{\mathcal{S}_G}= 2\pi \rho_M\,h\, E`$ , avec $`\Phi_E`$ le flux de $`\overrightarrow{E}`$ à travers $`{\mathcal{S}_G}`$
sont *commun à toutes les distributions* de charge à symétrie cylindrique invariantes par translation selon $`Oz`$. sont *commun à toutes les distributions* de charges à symétrie cylindrique invariantes par translation selon $`Oz`$.
* Le **calcul de $`Q_{int}`$** puis **de $`\overrightarrow{E}`$** nécessitent de *connaître l'expression mathématique pour $`\dens`$* en chaque point de l'espace. * Le **calcul de $`Q_{int}`$** puis **de $`\overrightarrow{E}`$** nécessitent de *connaître l'expression mathématique pour $`\dens`$* en chaque point de l'espace.
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$`\Longrightarrow`$ *différentes distributions de charge sont étudiées* dans la suite. $`\Longrightarrow`$ *différentes distributions de charges sont étudiées* dans la suite.
##### Calcul de la charge $`Q_{int}`$ ##### Calcul de la charge $`Q_{int}`$
...@@ -252,12 +252,12 @@ $`\overrightarrow{E},(\rho, \varphi, z)=E\;`\overrightarrow{e_{\rho}}`$ ...@@ -252,12 +252,12 @@ $`\overrightarrow{E},(\rho, \varphi, z)=E\;`\overrightarrow{e_{\rho}}`$
#### **1 -** Cylindre infini de rayon $`R`$ chargé uniformément en volume #### **1 -** Cylindre infini de rayon $`R`$ chargé uniformément en volume
* L'*objectif d'apprentissage* de cet exemple de distribution de charge est * L'*objectif d'apprentissage* de cet exemple de distribution de charges est
* de **terminer le processus** de détermination de $`\overrightarrow{E}`$ par * de **terminer le processus** de détermination de $`\overrightarrow{E}`$ par
le théorème de Gauss *avec un exemple particulièrement simple*. le théorème de Gauss *avec un exemple particulièrement simple*.
* de montrer que la densité volumique de charge *$`\dens^{3D}`$ se manipule sans distinction de son signe*, * de montrer que la densité volumique de charges *$`\dens^{3D}`$ se manipule sans distinction de son signe*,
ce **signe reste fondamental** parce qu'il *décide du sens de $`\overrightarrow{E}`$*, et ce **signe reste fondamental** parce qu'il *décide du sens de $`\overrightarrow{E}`$*, et
donc de la force d'*attraction ou* de *répulsion* qu'il exerce sur les charges. donc de la force d'*attraction ou* de *répulsion* qu'il exerce sur les charges.
...@@ -276,7 +276,7 @@ $`\overrightarrow{E},(\rho, \varphi, z)=E\;`\overrightarrow{e_{\rho}}`$ ...@@ -276,7 +276,7 @@ $`\overrightarrow{E},(\rho, \varphi, z)=E\;`\overrightarrow{e_{\rho}}`$
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* Ci-desssous, pour ne garder que l'**information du profil** et ici **mettre en évidence le signe des charges**, * Ci-desssous, pour ne garder que l'**information du profil** et ici **mettre en évidence le signe des charges**,
nous choisissons pour l'axe des ordonnées la grandeur physique sans unité nous choisissons pour l'axe des ordonnées la grandeur physique sans unité
*densité volumique de charge $`\dens^{3D}(\rho)`$ divisée par la valeur maximale de sa valeur absolue $`|\dens^{3D}|_{max}`$*. *densité volumique de charges $`\dens^{3D}(\rho)`$ divisée par la valeur maximale de sa valeur absolue $`|\dens^{3D}|_{max}`$*.
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C'est une représentation indépendante de la valeur numérique de $`\dens^{3D}_0\ge 0`$ C'est une représentation indépendante de la valeur numérique de $`\dens^{3D}_0\ge 0`$
et de son unité de mesure ($`C/,m^{-3},C/,cm^{-3},\dots)`$. et de son unité de mesure ($`C/,m^{-3},C/,cm^{-3},\dots)`$.
...@@ -286,10 +286,10 @@ apparaît au-dessus lorsqu'elle est positive. ...@@ -286,10 +286,10 @@ apparaît au-dessus lorsqu'elle est positive.
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![](electrostatics-gauss-integral-cylindrical-dist-uniform-rho_v2_L1200.jpg) ![](electrostatics-gauss-integral-cylindrical-dist-uniform-rho_v2_L1200.jpg)
_ La densité volumique de charge est positive._ _ La densité volumique de charges est positive._
<br> <br>
![](electrostatics-gauss-integral-cylindrical-dist-uniform-rho-N_v2_L1200.jpg) ![](electrostatics-gauss-integral-cylindrical-dist-uniform-rho-N_v2_L1200.jpg)
_ La densité volumique de charge est négative._ _ La densité volumique de charges est négative._
<br> <br>
* Nombre de sous-espaces complémentaires à prendre en compte : 2 * Nombre de sous-espaces complémentaires à prendre en compte : 2
...@@ -312,10 +312,10 @@ _figure temporaire à réviser._ ...@@ -312,10 +312,10 @@ _figure temporaire à réviser._
* Le *point $`M`$ quelconque* est situé **à l'intérieur** du cylindre chargé. * Le *point $`M`$ quelconque* est situé **à l'intérieur** du cylindre chargé.
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$`\Longrightarrow`$ le **volume de Gauss $`\Ltau_G`$** associé est *entièrement contenue dans l'espace $`\mathscr{E}_{int}`$* caractérisé par la *densité de charge constante $`\dens_0^{3D}`$*. $`\Longrightarrow`$ le **volume de Gauss $`\Ltau_G`$** associé est *entièrement contenue dans l'espace $`\mathscr{E}_{int}`$* caractérisé par la *densité de charges constante $`\dens_0^{3D}`$*.
![](electrostatics-gauss-cylindrical-charge-distribution-6-v8_L1200.gif) ![](electrostatics-gauss-cylindrical-charge-distribution-6-v8_L1200.gif)
_Le volume de gauss est entièrement caractérisée par même expression de densité de charge constante_ $`\dens^{3D}_0`$. _Corriger_ $`\vec{e_r}`$ _en_ $`\vec{e_{\rho}}`$. _Le volume de gauss est entièrement caractérisée par même expression de densité de chargesss constante_ $`\dens^{3D}_0`$. _Corriger_ $`\vec{e_r}`$ _en_ $`\vec{e_{\rho}}`$.
* **$`\displaystyle\mathbf{Q_{int}= \iiint_{\Ltau_G\leftrightarrow\mathcal{S}_G} \dens^{3D}_0\;d\Ltau}`$**. * **$`\displaystyle\mathbf{Q_{int}= \iiint_{\Ltau_G\leftrightarrow\mathcal{S}_G} \dens^{3D}_0\;d\Ltau}`$**.
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...@@ -363,10 +363,10 @@ Dans le **même esprit que précédemment**, nous traçons la charge totale dans ...@@ -363,10 +363,10 @@ Dans le **même esprit que précédemment**, nous traçons la charge totale dans
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![](electrostatics-gauss-integral-cylindrical-dist-uniform-Qint_v2_L1200.gif) ![](electrostatics-gauss-integral-cylindrical-dist-uniform-Qint_v2_L1200.gif)
_ La densité volumique de charge est positive._ _ La densité volumique de charges est positive._
<br> <br>
![](electrostatics-gauss-integral-cylindrical-dist-uniform-Qint-N_v2_L1200.gif) ![](electrostatics-gauss-integral-cylindrical-dist-uniform-Qint-N_v2_L1200.gif)
_ La densité volumique de charge est négative._ _ La densité volumique de charges est négative._
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##### Calcul de $`\overrightarrow{E}`$ ##### Calcul de $`\overrightarrow{E}`$
...@@ -424,10 +424,10 @@ Nous traçons la composante non nulle du champ $`E_{\rho}(\rho)`$ divisée par l ...@@ -424,10 +424,10 @@ Nous traçons la composante non nulle du champ $`E_{\rho}(\rho)`$ divisée par l
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![](electrostatics-gauss-integral-cylindrical-dist-uniform-E_v3_L1200.gif) ![](electrostatics-gauss-integral-cylindrical-dist-uniform-E_v3_L1200.gif)
_ La densité volumique de charge est positive._ _ La densité volumique de charges est positive._
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![](electrostatics-gauss-integral-cylindrical-dist-uniform-E-N_v3_L1200.gif) ![](electrostatics-gauss-integral-cylindrical-dist-uniform-E-N_v3_L1200.gif)
_ La densité volumique de charge est négative._ _ La densité volumique de charges est négative._
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...@@ -438,7 +438,8 @@ _ La densité volumique de charge est négative._ ...@@ -438,7 +438,8 @@ _ La densité volumique de charge est négative._
* L'*objectif d'apprentissage* : * L'*objectif d'apprentissage* :
* Dans cet exemple la densité volumique de charge *$`\mathbf{\dens^{3D}}`$ est une fonction de $`\rho`$*, ce qui nécessite de **connaître l'expression de $`\Ltau`$**, l'élément de volume en coordonnées cylindriques et de **réaliser une intégrale triple pour calculer $`Q_{int}`$**, la charge dans le volume de Gauss. * Dans cet exemple la densité volumique de charges *$`\mathbf{\dens^{3D}}`$ est une fonction de $`\rho`$*, ce qui nécessite de **connaître l'expression de $`\Ltau`$**,
l'élément de volume en coordonnées cylindriques et de **réaliser une intégrale triple pour calculer $`Q_{int}`$**, la charge dans le volume de Gauss.
##### Description de $`\dens`$ : ##### Description de $`\dens`$ :
...@@ -454,7 +455,7 @@ _ La densité volumique de charge est négative._ ...@@ -454,7 +455,7 @@ _ La densité volumique de charge est négative._
* La constante étant positive, **$`A\gt 0`$** , nous nous limitons dans cet exemple à des *charges positives*. * La constante étant positive, **$`A\gt 0`$** , nous nous limitons dans cet exemple à des *charges positives*.
![](electrostatics-gauss-integral-cylindrical-dist-non-uniform-rho_V2_L1200.jpg) ![](electrostatics-gauss-integral-cylindrical-dist-non-uniform-rho_V2_L1200.jpg)
_Variation de la densité volumique de charge $`\dens^{\rho}=A\,\rho^2`$ en fonction de $`\rho`$._ _Variation de la densité volumique de charges $`\dens^{\rho}=A\,\rho^2`$ en fonction de $`\rho`$._
* Nombre de sous-espaces complémentaires à prendre en compte : 2 * Nombre de sous-espaces complémentaires à prendre en compte : 2
...@@ -468,7 +469,7 @@ _Variation de la densité volumique de charge $`\dens^{\rho}=A\,\rho^2`$ en fonc ...@@ -468,7 +469,7 @@ _Variation de la densité volumique de charge $`\dens^{\rho}=A\,\rho^2`$ en fonc
* Le *point $`M`$ quelconque* est situé **à l'intérieur** du cylindre chargé. * Le *point $`M`$ quelconque* est situé **à l'intérieur** du cylindre chargé.
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$`\Longrightarrow`$ le **volume de Gauss $`\Ltau_G`$** est entièrement *contenu dans le sous-espaces $`\mathscr{E}_{int}`$*. $`\Longrightarrow`$ le **volume de Gauss $`\Ltau_G`$** est entièrement *contenu dans le sous-espace $`\mathscr{E}_{int}`$*.
* Le volume chargé est ici la totalité du volume de Gauss : * Le volume chargé est ici la totalité du volume de Gauss :
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...@@ -595,7 +596,8 @@ _Variation de la composante_ $`E_{\rho}`$ _du champ électrique en fonction de_ ...@@ -595,7 +596,8 @@ _Variation de la composante_ $`E_{\rho}`$ _du champ électrique en fonction de_
##### Description de $`\dens`$ : ##### Description de $`\dens`$ :
* Reprenons l'**exemple du profil précédent** de densité volumique de charge $`\dens^{3D}(\rho)=A\,\rho^2`$, *mais limité au volume d'un cylindre creux* de rayons intérieur $`R_{int}`$ et extérieur $`R_{ext}`$ : * Reprenons l'**exemple du profil précédent** de densité volumique de charges $`\dens^{3D}(\rho)=A\,\rho^2`$,
*mais limité au volume d'un cylindre creux* de rayons intérieur $`R_{int}`$ et extérieur $`R_{ext}`$ :
**$`\quad\left\{\begin{array}{ll} **$`\quad\left\{\begin{array}{ll}
\rho\le R_{int} \Longrightarrow & \dens^{3D}(\rho) = 0 \\ \rho\le R_{int} \Longrightarrow & \dens^{3D}(\rho) = 0 \\
...@@ -706,10 +708,10 @@ $`\left.\begin{array}{l} ...@@ -706,10 +708,10 @@ $`\left.\begin{array}{l}
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* *Synthèse graphique des résultats* * *Synthèse graphique des résultats*
* Densité volumique de charge $`\dens^{3D}(\rho)`$ : * Densité volumique de charges $`\dens^{3D}(\rho)`$ :
![](electrostatics-gauss-integral-cylindre-creux-dist-non-uniform-rho_v2_L1200.jpg) ![](electrostatics-gauss-integral-cylindre-creux-dist-non-uniform-rho_v2_L1200.jpg)
_Variation de la densité volumique de charge $`\dens^{\rho}=A\,\rho^2`$ en fonction de $`\rho`$._ _Variation de la densité volumique de charges $`\dens^{\rho}=A\,\rho^2`$ en fonction de $`\rho`$._
* Charge intérieure $`Q_{int}`$ dans le volume de Gauss, cylindre de rayon $`\rho`$ : * Charge intérieure $`Q_{int}`$ dans le volume de Gauss, cylindre de rayon $`\rho`$ :
...@@ -750,7 +752,7 @@ est **connu** : ...@@ -750,7 +752,7 @@ est **connu** :
![](electrostatics-cylindrical-superposition-E-1-v1.jpg) ![](electrostatics-cylindrical-superposition-E-1-v1.jpg)
* La distribution de charge étudiée * La distribution de charges étudiée
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**$`\mathbf{\dens^{3D}(\rho)}`$** **$`\mathbf{\dens^{3D}(\rho)}`$**
$`\left|\begin{array}{l} $`\left|\begin{array}{l}
...@@ -822,13 +824,15 @@ On retrouve naturellement les résultats précédents. ...@@ -822,13 +824,15 @@ On retrouve naturellement les résultats précédents.
* L'*objectif d'apprentissage* : * L'*objectif d'apprentissage* :
* Dans cet exemple, la distribution réelle de charge est modélisée par une **densité superficielle de charge $`\mathbf{\dens^{2D}}`$**. * Dans cet exemple, la distribution réelle de charges est modélisée par une **densité superficielle de charges $`\mathbf{\dens^{2D}}`$**.
* Faire le lien avec le cas précédent, étudier la **transition entre** : * Faire le lien avec le cas précédent, étudier la **transition entre** :
\- une **distribution réelle 3D** de charge *dans un cylindre creux de faible épaisseur $`e`$*$`=R_{ext}-R_{int}`$. \- une **distribution réelle 3D** de charges *dans un cylindre creux de faible épaisseur $`e`$*$`=R_{ext}-R_{int}`$.
\- sa **modélisation 2D** par une distribution $`\dens^{2D}`$ *lorsque l'épaisseur $`e`$ est négligée*. \- sa **modélisation 2D** par une distribution $`\dens^{2D}`$ *lorsque l'épaisseur $`e`$ est négligée*.
* Montrer, si besoin était, que les **relations de continuité de $`\mathbf{\overrightarrow{E}}`$** à la traversée d'une surface chargée est la même que la surface chargée soit cylindrique ou plane (faire afficher les trois types de distributions en parallèle). Elles sont **les mêmes à la traversée de toute surface**, *plane ou courbe*. * Montrer, si besoin était, que les **relations de continuité de $`\mathbf{\overrightarrow{E}}`$** à la traversée d'une surface
chargée est la même que la surface chargée soit cylindrique ou plane (faire afficher les trois types de distributions en parallèle).
Elles sont **les mêmes à la traversée de toute surface**, *plane ou courbe*.
_schéma simplifié du profil vu en coupe à venir_ _schéma simplifié du profil vu en coupe à venir_
......
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