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Pipeline #10607 canceled with stage
......@@ -273,9 +273,10 @@ $`\Ltau_G\cap\mathscr{E}_{ext}`$ _tel que_ $`\dens=0`$ _et_ $`\rho\gt R`$.
##### Calcul de $`\overrightarrow{E}`$
La **synthèse des résultats** donne :
**Pour tout point $`\mathbf{M=M(\rho_M\,\varphi_M\, z_M)}`$** de l'espace, la synthèse des résultats donne :
(ne pas oublier le facteur $`1\,/\,\epsilon_0`$)
* **Pour $`\mathbf{\rho\le R}`$**,
* **Si $`\mathbf{\rho\le R}`$**,
donc à l'*intérieur du cylindre chargé* :
<br>
$`\oiint_{\mathcal{S}_G}\overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{dS}=`$
......@@ -292,7 +293,7 @@ $`\left.\begin{array}{l}
**$`\mathbf{\overrightarrow{E}=\dfrac{\rho\,\dens^{3D}_0}{2\,\epsilon_0}\,\overrightarrow{e_{\rho}}}`$**
* **Pour $`\mathbf{\rho\gt R}`$**,
* **Si $`\mathbf{\rho\gt R}`$**,
donc à l'*extérieur du cylindre chargé* :
<br>
$`\oiint_{\mathcal{S}_G}\overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{dS}=`$
......@@ -323,25 +324,135 @@ $`\,\Longrightarrow`$$`\overrightarrow{E}=\overrightarrow{0}`$
#### _2 )_ Cylindre infini de rayon $`R`$ chargé non uniformément en volume
* description de $`\dens`$ :
##### Description de $`\dens`$ :
* Prenons l'**exemple** de la distribution :
**$`\quad\left\{\begin{array}{ll}
\rho\le R \Longrightarrow & \dens^{3D}(\rho) \ne 0 \\
\rho\le R \Longrightarrow & \dens^{3D}(\rho) = A\,\rho^2 \\
&\text{ avec }A = cste \ne 0 \\
\rho\gt R \Longrightarrow & \dens^{3D}(\rho)= 0
\end{array}\right.`$**
* Choisissons pour **exemple** la distribution :
<!--exemple2 à garder : \dens^{3D}(\rho) = \dfrac{A}{\rho^2} -->
**$`\quad\left\{\begin{array}{ll}
\rho\le R \Longrightarrow & \dens^{3D}(\rho) \ne 0 \\
\rho\gt R \Longrightarrow & \dens^{3D}(\rho)= 0
\end{array}\right.`$**
* Nombre de sous-espaces complémentaires à prendre en compte : 2
* sous-espace $`\mathscr{E}_{int}`$, caractérisé par $`\dens=\dens^{3D}=A\,\rho^2`$ et tel que $`\rho\le R`$.
* sous-espace $`\mathscr{E}_{ext}`$, caractérisé par $`\dens=0`$ et tel que $`\rho \gt R`$
##### Calcul de la charge $`Q_{int}`$ :
<br>
**$`\large\text{Pour }\mathbf{\rho_M\le R}`$** :
* Le *point $`M`$ quelconque* est situé **à l'intérieur** du cylindre chargé.
<br>
$`\Longrightarrow`$ le **volume de Gauss $`\Ltau_G`$** est entièrement *contenu dans le sous-espaces $`\mathscr{E}_{int}`$*.
* Le volume chargé est ici la totalité du volume de Gauss :
<br>
**$`\mathbf{Q_{int}}`$** $`\displaystyle\;=\iiint_{\Ltau_G}\dens\;d\Ltau`$
<br>
$`\displaystyle\hspace{1.2cm}= \iiint_{\Ltau_G}\dens_{int}\;d\Ltau`$
<br>
**$`\mathbf{\displaystyle\hspace{1.2cm}= \iiint_{\Ltau_G} A\,\rho^2\,d\Ltau}`$**
* *$`\dens^{3D}`$ est fonction de $`\rho`$*, donc tous les $`d\Ltau`$ ne sont pas caractérisés par une valeur unique de $`\dens^{3D}`$
$`\Longrightarrow\dens^{3D}_0`$ *ne peut pas sortir de l'intégrale*.
$`\Longrightarrow`$ l'élément de volume $`d\Ltau`$ doit prendre son expression *en coordonnées cylindriques* $`\mathbf{d\Ltau=\rho\,d\varphi\,d\rho\,dz}`$ :
<br>
**$`\mathbf{Q_{int}}`$** $`\displaystyle = \iiint_{\Ltau_G}A\,\rho^2\,\rho\,d\varphi\,d\rho\,dz`$
<br>
$`\displaystyle\hspace{1.2cm}= \iiint_{\Ltau_G} A\,\rho^3\,\,d\varphi\,d\rho\,dz`$
<br>
**$`\displaystyle\hspace{1.2cm}\mathbf{=\int_{\rho=0}^{\rho_M}\int_{z=z_0}^{z_0+h}\int_{\varphi=0}^{2\pi} A\,\rho^3\,d\varphi\,dz\,d\rho}`$**
* Les coordonnées $`\rho\,\varphi\,z`$ varient indépendament les unes des autres
$`\Longrightarrow`$ intégrale triple = 3 intégrales simples effectuées dans un ordre quelconque.
$`\Longrightarrow`$ une étape possible de calcul intermédiaire donne :
<br>
**$`\mathbf{Q_{int}}`$**
$`\displaystyle\;=2\pi\,A\,h\cdot \int_{\rho=0}^{\rho_M} \rho^3\,d\rho=2\pi\,A\,h\cdot\bigg[\dfrac{\rho^4}{4}\bigg]_{0}^{\rho_M}`$
---------------------------------------------
* Au final :
**$`\mathbf{Q_{int}=\dfrac{\pi\,A\,h}{2}\,\rho_M^4}\quad`$** (pour $`\rho_M\le R`$)
#### _3 )_ Cylindre infini creux de rayons intérieur $`R_{int}`$ et extérieur $`R_{ext}`$ et non uniformément chargé`$
-----------------
<br>
**$`\large\text{Pour }\mathbf{\rho_M\gt R}`$** :
* Le *point $`M`$ quelconque* est situé **à l'extérieur** du cylindre chargé.
<br>
$`\Longrightarrow`$ le **volume de Gauss $`\Ltau_G`$** s'étend *dans les deux sous-espaces $`\mathscr{E}_{int}`$ et $`\mathscr{E}_{ext}`$*
* **$`\mathbf{Q_{int}}`$** $`\displaystyle\;=\iiint_{\Ltau_G}\dens\;d\Ltau`$
<br>
$`\displaystyle\;\; = \iiint_{\Ltau_G\cap\mathscr{E}_{int}}\dens_{int}\;d\Ltau + \iiint_{\Ltau_G\cap\mathscr{E}_{ext}}\dens_{ext}\;d\Ltau`$
<br>
$`\displaystyle\;\; = \iiint_{\Ltau_G\cap\mathscr{E}_{int}} A\,\rho^2\,d\Ltau + \iiint_{\Ltau_G\cap\mathscr{E}_{ext}}0 \;d\Ltau`$
<br>
**$`\mathbf{\displaystyle\;\;= \iiint_{\Ltau_G\cap\mathscr{E}_{int}} A\,\rho^2\,d\Ltau}`$**
* Avec $`d\Ltau`$ en coordonnées cylindriques puis les bornes correctes d'intégration :
<br>
**$`\mathbf{Q_{int}}`$** $`\displaystyle\;\; = \iiint_{\Ltau_G\cap\mathscr{E}_{int}} A\,\rho^2\,\rho\,d\varphi\,d\rho\,dz`$
<br>
$`\displaystyle\hspace{1.2cm}= \iiint_{\Ltau_G\cap\mathscr{E}_{int}} A\,\rho^3\,\,d\varphi\,d\rho\,dz`$
<br>
**$`\displaystyle\hspace{1.2cm}\mathbf{=\int_{\rho=0}^R\int_{z=z_0}^{z_0+h}\int_{\varphi=0}^{2\pi} A\,\rho^3\,d\varphi\,dz\,d\rho}`$**
* Le calcul final donne :
**$`\mathbf{Q_{int}=\dfrac{\pi\,A\,h}{2}\,R^4}\quad`$** (pour $`\rho_M\gt R`$)
##### Synthèse des résultats et calcul de $`\overrightarrow{E}`$
**Pour tout point $`\mathbf{M=M(\rho_M\,\varphi_M\, z_M)}`$** de l'espace, la synthèse des résultats donne :
(ne pas oublier le facteur $`1\,/\,\epsilon_0`$)
* **Si $`\mathbf{\rho_M \le R}`$**,
donc à l'*intérieur du cylindre chargé* :
<br>
$`\oiint_{\mathcal{S}_G}\overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{dS}=`$
**$`\mathbf{2\pi \rho_M\,h\, E}`$**
$`\;=\dfrac{Q_{int}}{\epsilon_0}`$
**$`\mathbf{\;=\dfrac{\pi\,A\,h}{2\,\epsilon_0}\,\rho_M^4}`$**
<br>
Au final :
$`\left.\begin{array}{l}
\overrightarrow{E}=E_{\rho}(\rho)\,\overrightarrow{e_{\rho}}=E\,\overrightarrow{e_{\rho}} \\
2\pi \rho_M\, h\,E=\dfrac{\pi\,A\,h}{2\,\epsilon_0}\,\rho_M^4
\end{array}\right\}
\Longrightarrow`$
**$`\mathbf{\overrightarrow{E}=\dfrac{A\,\rho_M^3}{4\,\epsilon_0}\,\overrightarrow{e_{\rho}}}`$**
* **Si $`\mathbf{\rho_M\gt R}`$**,
donc à l'*extérieur du cylindre chargé* :
<br>
$`\oiint_{\mathcal{S}_G}\overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{dS}=`$
**$`\mathbf{2\pi \rho_M\,h\, E}`$**
$`\;=\dfrac{Q_{int}}{\epsilon_0}`$
**$`\mathbf{\;=\dfrac{\pi\,A\,h}{2\,\epsilon_0}\,R^4}`$**
<br>
Au final :
$`\left.\begin{array}{l}
\overrightarrow{E}=E_{\rho}(\rho)\,\overrightarrow{e_{\rho}}=E\,\overrightarrow{e_{\rho}} \\
2\pi \rho_M\,h\, E= \dfrac{\pi\,A\,h}{2\,\epsilon_0}\,R^4
\end{array}\right\}
\Longrightarrow`$
**$`\mathbf{\overrightarrow{E}=\dfrac{A\,R^4}{4\,\epsilon_0\,\rho_M}\,\overrightarrow{e_{\rho}}}`$**
#### _3 )_ Cylindre infini creux de rayons intérieur $`R_{int}`$ et extérieur $`R_{ext}`$
* description de $`\dens`$ :
......@@ -351,57 +462,62 @@ R_{int} \le \rho\le R_{ext} \Longrightarrow & \dens^{3D}(\rho) \ne 0 \\
\rho\gt R_{int} \Longrightarrow & \dens^{3D}(\rho) = 0
\end{array}\right.`$**
<br>
Nous pouvons considérer **2 méthodes équivalentes**
##### Théorème de Gauss en considérant 3 sous-espaces complémentaires
* Les sous-espaces complémentaires à prendre en compte sont :
* sous-espace intérieur $`\mathscr{E}_{int}`$, caractérisé par $`\dens=\dens^{3D}=0`$ et tel que $`\rho\lt R_{int}`$.
* sous-espace milieu $`\mathscr{E}_{mil}`$, caractérisé par $`\dens=\dens^{3D}\ne 0`$ et tel que $`R_{int}\le\rho\le R_{ext}`$.
* sous-espace extérieur $`\mathscr{E}_{ext}`$, caractérisé par $`\dens=\dens^{3D}=0`$ et tel que $`\rho \gt R_{ext}`$
---------------------------------------------
à terminer
#### 4 ) Cylindre infini de rayon $`R`$ chargé uniformément en surface
##### Utiliser le théorème de superposition
à terminer
##### _4 )_ Cylindre infini de rayon $`R`$ chargé uniformément en surface
* C'est, entre autre mais pas seulement, le cas précédent dans la limite où $`R_{int}\longrightarrow R_{ext}=R`$)
$`\Longrightarrow \dens^{3D} \text{ est modélisée par } \dens^{2D} `$
* description de $`\dens`$ :
##### Description de $`\dens`$ :
**$`\quad\left\{\begin{array}{ll}
* **$`\quad\left\{\begin{array}{ll}
\rho\lt R \Longrightarrow & \dens^{3D}(\rho) = 0 \\
\rho = R \Longrightarrow & \dens^{2D}(\rho)= \dens^{2D}_0=cst \ne 0 \\
\rho\gt R \Longrightarrow & \dens^{3D}(\rho) = 0 \\
\end{array}\right.`$**
<br>
* Nombre de sous-espaces à prendre en compte : 2
* sous-espace $`\mathscr{E}_{int}`$, caractérisé par $`\dens=\dens^{3D}_0`$ et tel que $`\rho\le R`$.
* sous-espace $`\mathscr{E}_{ext}`$, caractérisé par $`\dens=0`$ et tel que $`\rho \gt R`$
-----------------------------------------------------
à développer et terminer
Et pour reprendre le *cas simple étudié par calcul direct* :
montrer discontinuité de $`\overrightarrow{E}`$ à la traversée d'une surface chargée, due
au passage 3D vers idéalisation 2D : cela aura déjà été vu juste avant dans distribution de charge a symétrie plane, faire le lien.
Cette discontinuité de $`\overrightarrow{E}`$ en $`\rho=R`$ fait que le champ n'est pas défini en $`\rho=R`$ dans cette modélisation, dnas cette idéalisation 2D, ce qui justifie de n'avoir considéré que les deux sous-espaces $`\mathscr{E}_{int}`$ et $`\mathscr{E}_{ext}`$.
#### 5 ) Quel est le champ électrique créé par un fil rectiligne infini uniformément chargé ?
! et pour reprendre le *cas simple étudié par calcul direct* :
##### Quel est le champ électrique créé par un fil rectiligne infini uniformément chargé ?
traiter les cas du (cela sera rapide maintenant) :
\- cylindre infini chargé uniformément en volume : $`\dens^{3D}=cste`$
\- cylindre infini chargé en volume avec $`\dens^{3D}=\dens^{3D}(\rho)`$
\- cylindre infini creux de rayons intérieur $`R_{int}`$ et extérieur $`R_{ext}`$
(deux méthodes équivalentes)
\- cylindre infini chargé uniformément en surface ($`R_{ext}\longrightarrow R_{int}`$) : $`\dens^{2D}=cste`$
(deux méthodes équivalentes,
montrer discontinuité de $`\overrightarrow{E}`$ à la traversée d'une surface chargée, due
au passage 3D vers idéalisation 2D.
cela aura déjà été vu juste avant dans distribution de charge a symétrie plane).
\- fil infini chargé uniformément : $`\dens^{1D}=cste`$
(montrer champ infini en $`\rho=0`$ en contradiction avec symétries,
montrer que ce paradoxe viens du passage 3D vers 1D. Le vrai comportement de $`\overrightarrow{E}(\rho))`$
au voisinage de $`\rho=0`$ est dans les dimensions négligées).
On trouvera autre chose ou des cas particuliers pour les exos.
<br>
-----------------------------------------------------
### **5 -** Cylindres creux coaxiaux
#### 6 ) Cables coaxiaux concentriques
Cas particulier où ils portent des charges opposées, lien avec le condensateur cylindrique. Parallélisme possible.
(deux méthodes équivalentes)
......
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