Commit 34c65834 authored by Claude Meny's avatar Claude Meny

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Pipeline #10636 canceled with stage
...@@ -215,13 +215,37 @@ $`\overrightarrow{E},(\rho, \varphi, z)=E\;`\overrightarrow{e_{\rho}}`$ ...@@ -215,13 +215,37 @@ $`\overrightarrow{E},(\rho, \varphi, z)=E\;`\overrightarrow{e_{\rho}}`$
#### **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
* de **terminer le processus** de détermination de $`\overrightarrow{E}`$ par 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*, 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.
##### Description de $`\dens`$ : ##### Description de $`\dens`$ :
* **$`\left\{\begin{array}{ll} * **$`\left\{\begin{array}{ll}
\rho\le R \Longrightarrow \dens^{3D}(\rho)=\dens^{3D}_0 = cste\gt 0 \\ \rho\le R \Longrightarrow \dens^{3D}(\rho)=\dens^{3D}_0 = cste\ne 0 \\
\rho\gt R \Longrightarrow \dens^{3D}(\rho)= 0 \rho\gt R \Longrightarrow \dens^{3D}(\rho)= 0
\end{array}\right.`$** \end{array}\right.`$**
* *Représentation graphique de $` \dens^{3D}(\rho)`$* :
<br>
* Travailler avec $`\dens^{3D}(\rho)=\dens^{3D}_0 = cste\ne 0`$ recouvre les deux situations $`\dens^{3D}_0\ge 0`$ et $`\dens^{3D}_0\lt 0`$.
<br>
* Plusieurs représentations du profil de variation de $`\dens^{3D}`$ avec $`\rho`$ sont possibles.
* 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 "*densité volumique de charge $`\dens^{3D}(\rho)`$ divisée par la valeur maximale de sa valeur absolue" $`|\dens^{3D}|_{max}`$*".
<br>
C'est une représentation indépendante de la valeur numérique de $`\dens^{3D}_0\ge 0`$ et de son unité de mesure ($`C/m^3\;,\;C/cm^3\;,\;\dots)`$.
<br>
Une densité de charge négative apparaîtra en dessous de l'axe des $`\rho`$, et elle apparaît au-dessus lorsqu'elle est positive.
<br>
![](electrostatics-gauss-integral-cylindrical-dist-uniform-rho_v2_L1200.jpg)
_ La densité volumique de charge est positive._
<br>
![](electrostatics-gauss-integral-cylindrical-dist-uniform-rho-N_v2_L1200.jpg)
_ La densité volumique de charge est négative._
<br>
* Nombre de sous-espaces complémentaires à prendre en compte : 2 * Nombre de sous-espaces complémentaires à prendre en compte : 2
* sous-espace $`\mathscr{E}_{int}`$, caractérisé par $`\dens=\dens^{3D}_0`$ et tel que $`\rho\le R`$. * sous-espace $`\mathscr{E}_{int}`$, caractérisé par $`\dens=\dens^{3D}_0`$ et tel que $`\rho\le R`$.
* sous-espace $`\mathscr{E}_{ext}`$, caractérisé par $`\dens=0`$ et tel que $`\rho \gt R`$ * sous-espace $`\mathscr{E}_{ext}`$, caractérisé par $`\dens=0`$ et tel que $`\rho \gt R`$
...@@ -287,6 +311,18 @@ _Corriger_ $`\vec{e_r}`$ _en_ $`\vec{e_{\rho}}`$. ...@@ -287,6 +311,18 @@ _Corriger_ $`\vec{e_r}`$ _en_ $`\vec{e_{\rho}}`$.
<br> <br>
**$`\displaystyle\mathbf{Q_{int}= \dens^{3D}_0\times \pi\,R^2\,h}\quad`$** (pour $`\rho_M\gt R)`$ **$`\displaystyle\mathbf{Q_{int}= \dens^{3D}_0\times \pi\,R^2\,h}\quad`$** (pour $`\rho_M\gt R)`$
* *Représentation graphique de $` Q_{int}(\rho)`$* :
<br>
Dans le **même esprit que précédemment**, nous traçons la charge totale dans le volume de Gauss $`Q_{int}(\rho)`$ divisée par la valeur maximale de sa valeur absolue" $`|Q_{int}|_{max}`$.
<br>
![](electrostatics-gauss-integral-cylindrical-dist-uniform-Qint_v2_L1200.gif)
_ La densité volumique de charge est positive._
<br>
![](electrostatics-gauss-integral-cylindrical-dist-uniform-Qint-N_v2_L1200.gif)
_ La densité volumique de charge est négative._
<br>
##### Calcul de $`\overrightarrow{E}`$ ##### Calcul de $`\overrightarrow{E}`$
**Pour tout point $`\mathbf{M=M(\rho_M\,\varphi_M\, z_M)}`$** de l'espace, 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 :
...@@ -336,6 +372,17 @@ P_1\,(M, \overrightarrow{e_{\rho}}, \overrightarrow{e_z})\; \text{plan de symét ...@@ -336,6 +372,17 @@ P_1\,(M, \overrightarrow{e_{\rho}}, \overrightarrow{e_z})\; \text{plan de symét
\text{tout plan contenant }\Delta \text{ : plan de symétrie} \text{tout plan contenant }\Delta \text{ : plan de symétrie}
\end{array}\right\}`$$`\,\Longrightarrow`$$`\overrightarrow{E}=\overrightarrow{0}`$ \end{array}\right\}`$$`\,\Longrightarrow`$$`\overrightarrow{E}=\overrightarrow{0}`$
* *Représentation graphique de $` E_{\rho}(\rho)`$* :
<br>
Nous traçons la composante non nulle du champ $`E_{\rho}(\rho)`$ divisée par la valeur maximale de sa valeur absolue" $`|E_{\rho}|_{max}`$.
<br>
![](electrostatics-gauss-integral-cylindrical-dist-uniform-E_v2_L1200.gif)
_ La densité volumique de charge est positive._
<br>
![](electrostatics-gauss-integral-cylindrical-dist-uniform-E-N_v2_L1200.gif)
_ La densité volumique de charge est négative._
<br> <br>
...@@ -343,6 +390,10 @@ P_1\,(M, \overrightarrow{e_{\rho}}, \overrightarrow{e_z})\; \text{plan de symét ...@@ -343,6 +390,10 @@ P_1\,(M, \overrightarrow{e_{\rho}}, \overrightarrow{e_z})\; \text{plan de symét
#### **2 -** Cylindre infini de rayon $`R`$ chargé non uniformément en volume #### **2 -** Cylindre infini de rayon $`R`$ chargé non uniformément en volume
* 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.
##### Description de $`\dens`$ : ##### Description de $`\dens`$ :
* Prenons l'**exemple** de la distribution : * Prenons l'**exemple** de la distribution :
...@@ -354,8 +405,9 @@ P_1\,(M, \overrightarrow{e_{\rho}}, \overrightarrow{e_z})\; \text{plan de symét ...@@ -354,8 +405,9 @@ P_1\,(M, \overrightarrow{e_{\rho}}, \overrightarrow{e_z})\; \text{plan de symét
\end{array}\right.`$** \end{array}\right.`$**
<!--exemple2 à garder : \dens^{3D}(\rho) = \dfrac{A}{\rho^2} --> <!--exemple2 à garder : \dens^{3D}(\rho) = \dfrac{A}{\rho^2} -->
* 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_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 charge $`\dens^{\rho}=A\,\rho^2`$ en fonction de $`\rho`$._
...@@ -433,19 +485,17 @@ $`\displaystyle\hspace{1.2cm}= \iiint_{\Ltau_G\cap\mathscr{E}_{int}} A\,\rho^3\ ...@@ -433,19 +485,17 @@ $`\displaystyle\hspace{1.2cm}= \iiint_{\Ltau_G\cap\mathscr{E}_{int}} A\,\rho^3\
<br> <br>
*$`\large\text{Au final, concernant }Q_{int}`$* : *$`\large\text{Au final, concernant }Q_{int}`$* :
![](electrostatics-gauss-integral-cylindrical-dist-non-uniform-Qint_L1200.gif) ![](electrostatics-gauss-integral-cylindrical-dist-non-uniform-Qint_v2_L1200.gif)
_Variation de la composante_ $`E_{\rho}`$ _du champ électrique en fonction de_ $`\rho`$. _Variation de la charge intérieure au volume de Gauss_ $`Q_{\int}`$ _en fonction de_ $`\rho`$.
##### Synthèse des résultats et calcul de $`\overrightarrow{E}`$ ##### **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 : **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 $`1\,/\,\epsilon_0`$) (ne pas oublier le facteur $`1\,/\,\epsilon_0`$)
<br> * **Si $`\mathbf{\rho_M \le R}`$**,
**$`\large\text{Pour }\mathbf{\rho_M\le R}`$** :
donc à l'*intérieur du cylindre chargé* : donc à l'*intérieur du cylindre chargé* :
<br> <br>
$`\oiint_{\mathcal{S}_G}\overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{dS}=`$ $`\oiint_{\mathcal{S}_G}\overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{dS}=`$
...@@ -462,9 +512,7 @@ $`\left.\begin{array}{l} ...@@ -462,9 +512,7 @@ $`\left.\begin{array}{l}
**$`\mathbf{\overrightarrow{E}=\dfrac{A\,\rho_M^3}{4\,\epsilon_0}\,\overrightarrow{e_{\rho}}}`$** **$`\mathbf{\overrightarrow{E}=\dfrac{A\,\rho_M^3}{4\,\epsilon_0}\,\overrightarrow{e_{\rho}}}`$**
<br> * **Si $`\mathbf{\rho_M\gt R}`$**,
**$`\large\text{Pour }\mathbf{\rho_M\gt R}`$** :
donc à l'*extérieur du cylindre chargé* : donc à l'*extérieur du cylindre chargé* :
<br> <br>
$`\oiint_{\mathcal{S}_G}\overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{dS}=`$ $`\oiint_{\mathcal{S}_G}\overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{dS}=`$
...@@ -472,7 +520,6 @@ $`\oiint_{\mathcal{S}_G}\overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{dS}=`$ ...@@ -472,7 +520,6 @@ $`\oiint_{\mathcal{S}_G}\overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{dS}=`$
$`\;=\dfrac{Q_{int}}{\epsilon_0}`$ $`\;=\dfrac{Q_{int}}{\epsilon_0}`$
**$`\mathbf{\;=\dfrac{\pi\,A\,h}{2\,\epsilon_0}\,R^4}`$** **$`\mathbf{\;=\dfrac{\pi\,A\,h}{2\,\epsilon_0}\,R^4}`$**
<br> <br>
Au final :
$`\left.\begin{array}{l} $`\left.\begin{array}{l}
\overrightarrow{E}=E_{\rho}(\rho)\,\overrightarrow{e_{\rho}}=E\,\overrightarrow{e_{\rho}} \\ \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 2\pi \rho_M\,h\, E= \dfrac{\pi\,A\,h}{2\,\epsilon_0}\,R^4
...@@ -480,21 +527,29 @@ $`\left.\begin{array}{l} ...@@ -480,21 +527,29 @@ $`\left.\begin{array}{l}
\Longrightarrow`$ \Longrightarrow`$
**$`\mathbf{\overrightarrow{E}=\dfrac{A\,R^4}{4\,\epsilon_0\,\rho_M}\,\overrightarrow{e_{\rho}}}`$** **$`\mathbf{\overrightarrow{E}=\dfrac{A\,R^4}{4\,\epsilon_0\,\rho_M}\,\overrightarrow{e_{\rho}}}`$**
* *Synthèse des résultats sur $`\mathbf{\overrightarrow{E}}`$* :
<br> <br>
*$`\large\text{Au final, concernant }\overrightarrow{E}`$* : Symétries et invariances $`\Longrightarrow\;`$**$` \mathbf{\overrightarrow{E}(\rho\,,\varphi\,,z)=E_{\rho}(\rho)\,\overrightarrow{e_{\rho}}}`$**
![](electrostatics-gauss-integral-cylindrical-dist-non-uniform-E_L1200.gif) ![](electrostatics-gauss-integral-cylindrical-dist-non-uniform-E_v2_L1200.gif)
_Variation de la composante_ $`E_{\rho}`$ _du champ électrique en fonction de_ $`\rho`$. _Variation de la composante_ $`E_{\rho}`$ _du champ électrique en fonction de_ $`\rho`$.
<br> <br>
----------------------- -----------------------
#### **3 -** Cylindre infini creux de rayons intérieur $`R_{int}`$ et extérieur $`R_{ext}`$ #### **3 -** Cylindre infini creux de rayons intérieur $`R_{int}`$ et extérieur $`R_{ext}`$
* L'*objectif d'apprentissage* :
* Dans cet exemple, il y a **plus de 2 sous-espaces à prendre en compte** pour finaliser le calcul du champ électrique en tout point de l'espace.
##### 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 charge $`\dens^{3D}(\rho)=A\,\rho^2`$, *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 \\
...@@ -502,9 +557,11 @@ R_{int} \le \rho\le R_{ext} \Longrightarrow & \dens^{3D}(\rho) = A\,\rho^2\\ ...@@ -502,9 +557,11 @@ R_{int} \le \rho\le R_{ext} \Longrightarrow & \dens^{3D}(\rho) = A\,\rho^2\\
\rho\gt R_{int} \Longrightarrow & \dens^{3D}(\rho) = 0 \rho\gt R_{int} \Longrightarrow & \dens^{3D}(\rho) = 0
\end{array}\right.`$** \end{array}\right.`$**
_schéma simplifié du profil vu en coupe à venir_ * Il y a maintenant **3 sous-espaces** à prendre en compte :
* *un sous-espace* caractérisé par *$`\dens^{3D}(\rho) = A\,\rho^2`$*.
* *deux sous-espaces* caractérisés par *$`\dens^{3D}(\rho) = 0`$, mais séparés* par le sous-espace précédent.
Nous pouvons considérer **2 méthodes équivalentes** * Nous pouvons considérer **2 méthodes équivalentes**
##### Théorème de Gauss en considérant 3 sous-espaces complémentaires ##### Théorème de Gauss en considérant 3 sous-espaces complémentaires
...@@ -600,6 +657,26 @@ $`\left.\begin{array}{l} ...@@ -600,6 +657,26 @@ $`\left.\begin{array}{l}
**$`\mathbf{\overrightarrow{E}=\dfrac{A}{4\,\epsilon_0}\cdot\left(\dfrac{R_{ext}^4-R_{int}^4}{\rho_M}\right) **$`\mathbf{\overrightarrow{E}=\dfrac{A}{4\,\epsilon_0}\cdot\left(\dfrac{R_{ext}^4-R_{int}^4}{\rho_M}\right)
\overrightarrow{e_{\rho}}}`$** \overrightarrow{e_{\rho}}}`$**
<br>
* *Synthèse graphique des résultats*
* Densité volumique de charge $`\dens^{3D}(\rho)`$ :
![](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 $`\rho`$._
* Charge intérieure $`Q_{int}`$ dans le volume de Gauss, cylindre de rayon $`\rho`$ :
![](electrostatics-gauss-integral-cylindre-creux-dist-non-uniform-Qint_v2_L1200.gif)
_Variation de la charge intérieure au volume de Gauss_ $`Q_{int}`$ _en fonction de_ $`\rho`$.
* Champ électrique $`\overrightarrow{E}`$ en tout point de l'espace :
<br>
Symétries et invariances $`\Longrightarrow\;`$**$` \mathbf{\overrightarrow{E}(\rho\,,\varphi\,,z)=E_{\rho}(\rho)\,\overrightarrow{e_{\rho}}}`$**
![](electrostatics-gauss-integral-cylindre-creux-dist-non-uniform-E_v2_L1200.gif)
_Variation de la composante_ $`E_{\rho}`$ _du champ électrique en fonction de_ $`\rho`$.
##### Utiliser le théorème de superposition ##### Utiliser le théorème de superposition
...@@ -627,17 +704,21 @@ en cours de rédaction, à terminer ...@@ -627,17 +704,21 @@ en cours de rédaction, à terminer
_figure spécifique à venir_ _figure spécifique à venir_
<br>
----------------------------- -----------------------------
#### **4 -** Cylindre infini de rayon $`R`$ chargé uniformément en surface #### **4 -** Cylindre infini de rayon $`R`$ chargé uniformément en surface
* C'est par exemple le cas précédent dans la cas où * L'*objectif d'apprentissage* :
l'épaisseur $`e=R_{ext}-R_{int}`$ de la couche chargée est petite devant le rayon extérieur
du cylindre, $`e\ll R_{ext}`$. On peut alors la négliger et modéliser les charges dans cette couche * Dans cet exemple, la distribution réelle de charge est modélisée par une **densité superficielle de charge $`\mathbf{\dens^{2D}}`$**.
par des charges se répartissant sur la surface d'un cylindre de rayon $`R=R_{ext}=R_{int}`$ avec
une densité superficielle de charge $`\dens^{2D}`$. * Faire le lien avec le cas précédent, étudier la **transition entre** :
\- une **distribution réelle 3D** de charge *dans un cylindre creux de faible épaisseur $`e`$*$`\=R_{ext}-R_{int}`$.
\- 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*.
_schéma simplifié du profil vu en coupe à venir_ _schéma simplifié du profil vu en coupe à venir_
...@@ -649,6 +730,7 @@ _schéma simplifié du profil vu en coupe à venir_ ...@@ -649,6 +730,7 @@ _schéma simplifié du profil vu en coupe à venir_
\rho\gt R \Longrightarrow \dens^{3D}(\rho) = 0 \rho\gt R \Longrightarrow \dens^{3D}(\rho) = 0
\end{array}\right.`$** \end{array}\right.`$**
<!-------------
* Nombre de sous-espaces à prendre en compte : 2 * 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 $`\mathscr{E}_{int}`$, caractérisé par $`\dens=\dens^{3D}_0`$ et tel que $`\rho\le R`$.
* sous-espace $`\mathscr{E}_{ext}`$, caractérisé par $`\dens=0`$ et tel que $`\rho \gt R`$ * sous-espace $`\mathscr{E}_{ext}`$, caractérisé par $`\dens=0`$ et tel que $`\rho \gt R`$
...@@ -657,7 +739,12 @@ _schéma simplifié du profil vu en coupe à venir_ ...@@ -657,7 +739,12 @@ _schéma simplifié du profil vu en coupe à venir_
montrer discontinuité de $`\overrightarrow{E}`$ à la traversée d'une surface chargée, due 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. 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 $`\mathscr{E}_{ext}`$. Cette discontinuité de $`\overrightarrow{E}`$ en $`\rho=R`$ fait que le champ n'est pas défini en $`\rho=R`$ dans cette modélisation, dans cette idéalisation 2D, ce qui justifie de n'avoir considéré que les deux sous-espaces $`\mathscr{E}_{int}`$ et $`\mathscr{E}_{ext}`$.
------>
à terminer
_figure de l'amplitude du champ électrique en fonction de_ $`\rho`$ _à venir_ _figure de l'amplitude du champ électrique en fonction de_ $`\rho`$ _à venir_
......
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