Commit 3b21a395 authored by Claude Meny's avatar Claude Meny

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Pipeline #10617 canceled with stage
......@@ -27,7 +27,7 @@ $`\def\PSclosed{\mathscr{S}_{\displaystyle\tiny\bigcirc}}`$
!!!! Ce cours est *en construction*, il n'est *pas validé par l'équipe pédagogique* à ce stade. <br>
!!!! Document de travail destiné uniquement aux équipes pédagogiques.
##### Application du théorème de **Gauss local** aux :
##### Application du théorème de **Gauss local** aux
------------------------------------------------------
### **Distributions cylindriques de charge**
......@@ -48,8 +48,7 @@ $`\def\PSclosed{\mathscr{S}_{\displaystyle\tiny\bigcirc}}`$
* Une distribution de charge est décrite par une **densité de charge $`\dens`$**.
* **Invariance par rotation d'angle $`\Delta\varphi`$ quelconque**
**$`\mathbf{\Longrightarrow \dens}`$**$`=\require{\cancel} \dens(\rho,\xcancel{\varphi}, z)`$
**$`\mathbf{ =\dens(\rho, z)}`$**
**$`\mathbf{\Longrightarrow \dens}`$**$`=\require{\cancel} \dens(\rho,\xcancel{\varphi}, z)`$**$`\mathbf{ =\dens(\rho, z)}`$**
<br><br>
......@@ -83,8 +82,7 @@ $`\Longrightarrow`$**$`\mathbf{\overrightarrow{E}}`$** possède les *invariances
* *Par l'* **étude des symétries** *de la distribution de charges $`\dens`$*.
![](electrostatics-gauss-cylindrical-charge-distribution-2-v7_L1200.gif)
_figure temporaire à réviser : corriger_ $`\vec{e_r}`$ _en_ $`\vec{e_{\rho}}`$. _Remplacer_
$`\mathscr{P}_2`$ _par_ $`\mathscr{P}_0`$. _En effet, pour le point suivant, nous réserverons la notation_ $`\mathscr{P}_i`$ _avec_ $`i\in\mathbb{N}^*`$ _aux plans contenant l'axe_ $`Oz`$. _Rajouter la notation $`\Delta`$ pour l'axe_ $`Oz`$.
_figure temporaire à réviser : corriger_ $`\vec{e_r}`$ _en_ $`\vec{e_{\rho}}`$. _Remplacer_ $`\mathscr{P}_2`$ _par_ $`\mathscr{P}_0`$. _En effet, pour le point suivant, nous réserverons la notation_ $`\mathscr{P}_i`$ _avec_ $`i\in\mathbb{N}^*`$ _aux plans contenant l'axe_ $`Oz`$. _Rajouter la notation $`\Delta`$ pour l'axe_ $`Oz`$.
<!-------------------------------------------------------
* **$`\overrightarrow{E}`$** est un *vecteur polaire*.
......@@ -97,15 +95,16 @@ $`\mathscr{P}_2`$ _par_ $`\mathscr{P}_0`$. _En effet, pour le point suivant, nou
*$`\left.\begin{array}{l} \overrightarrow{E}\;\text{vecteur polaire} \\
P_1\,(M, \overrightarrow{e_{\rho}}, \overrightarrow{e_z})\; \text{plan de symétrie} \\
P_2\,(M, \overrightarrow{e_{\varphi}}, \overrightarrow{e_{\rho}})\; \text{plan de symétrie}
\end{array}\right\}\,\Longrightarrow`$* **$`\mathbf{\overrightarrow{E}=E_{\rho}\,\overrightarrow{e_{\rho}}}`$**
\end{array}\right\}\,\Longrightarrow`$* **$`\mathbf{\overrightarrow{E}=E_{\rho}\,\overrightarrow{e_{\rho}}}`$**
<br>
_et donc future écriture quand la figure sera modifiée_ :
_et donc future écriture quand la figure sera modifiée :_
*$`\left.\begin{array}{l} \overrightarrow{E}\;\text{vecteur polaire} \\
P_0\,(M, \overrightarrow{e_{\varphi}}, \overrightarrow{e_{\rho}})\; \text{plan de symétrie} \\
P_1\,(M, \overrightarrow{e_{\rho}}, \overrightarrow{e_z})\; \text{plan de symétrie} \\
\end{array}\right\}\,\Longrightarrow`$*
**$`\mathbf{\overrightarrow{E}=E_{\rho}\,\overrightarrow{e_{\rho}}}`$**
#### Comment s'exprime $`\overrightarrow{E}`$ en tout point de l'espace ?
* Synthèse de l'étude des invariances et symétries de $`\dens`$ :
......@@ -208,7 +207,7 @@ $`\overrightarrow{E}(\rho=0) = \overrightarrow{0} \Longrightarrow 0 \times E_{\r
<br>
$`\quad\Longrightarrow`$ **$`\displaystyle\mathbf{\rho_M\,E_{\rho}=\int_{\rho=0}^{\rho_M}d\left(\rho\,E_{\rho}\right)}`$**
* Au final, **en tout point $`\mathbf{M=M(\rho_M\,,\varphi_M\,, z_M)}`$**,
* Nous obtenons alors, *en tout point $`\mathbf{M=M(\rho_M\,,\varphi_M\,, z_M)}`$*,
<br>
**$`\left\{\begin{array}{l}
\mathbf{\rho_M=0\Longrightarrow \overrightarrow{E}=\overrightarrow{0}} \\
......@@ -217,22 +216,43 @@ $`\quad\Longrightarrow`$ **$`\displaystyle\mathbf{\rho_M\,E_{\rho}=\int_{\rho=0}
#### Comment faire le lien avec la distribution de charges puis en déduire $`\overrightarrow{E}`$ ?
* Le *théorème de Gauss local* nous dit qu'alors, **en tout point de l'espace** cette différentielle est égale à la densité volumique de charge $`\dens^{3D}`$ en ce point divisée par la constante diélectrique $`\epsilon_0`$ :
* Calculer la champ électrique $`\overrightarrow{E}`$ revient à calculer une intégrale dont l'intégrande est la différentielle $`d\left(\rho\,E_{\rho}\right)`$ :
<br>
$`\displaystyle\overrightarrow{E}=\dfrac{1}{\rho_M}\int_{\rho=0}^{\rho_M}d\left(\rho\,E_{\rho}\right)\cdot\overrightarrow{e_{\rho}}`$
* Cette différentielle s'exprime simplement en fonction de la divergence de $`\overrightarrow{E}`$, et le théorème de Gauss local relie cette divergence à la densité volumique de charge $`\dens^{3D}`$. Nous obtenons une *expression de $`d\left(\rho\,E_{\rho}\right)`$ en fonction de $`\dens^{3D}`$* :
<br>
$`\left.\begin{array}{l}
div\,\overrightarrow{E}=\dfrac{\dens^{3D}}{\epsilon_0}\\
d\left(\rho\,E_{\rho}\right)=\rho\,div\overrightarrow{E}\cdot d\rho
d\left(\rho\,E_{\rho}\right)=\rho\,div\overrightarrow{E}\cdot d\rho \\
div\overrightarrow{E}=\dfrac{\dens^{3D}}{\epsilon_0}
\end{array}\right\}`$$`\Longrightarrow`$
**$`\mathbf{d\left(\rho\,E_{\rho}\right)=\dfrac{\rho\,\dens^{3D}}{\epsilon_0}\cdot d\rho}`$**
À terminer
* Dès lors, l'intégration relie en chaque point le champ électrique local à la densité volumique de charge locale :
<br>
$`\left.\begin{array}{l}
\displaystyle\overrightarrow{E}=\dfrac{1}{\rho_M}\int_{\rho=0}^{\rho_M}d\left(\rho\,E_{\rho}\right)\cdot\overrightarrow{e_{\rho}}\\
d\left(\rho\,E_{\rho}\right)=\dfrac{\rho\,\dens^{3D}}{\epsilon_0}\cdot d\rho
\end{array}\right\}`$$`\Longrightarrow`$
**$`\displaystyle\mathbf{\overrightarrow{E}=\dfrac{1}{\rho_M}\int_{\rho=0}^{\rho_M}\dfrac{\rho\,\dens^{3D}}{\epsilon_0}\cdot\overrightarrow{e_{\rho}}}`$**
-------------------------------
* **Ces résultats**
* Sur l'axe de révolution $`Oz`$ ($`\rho_M=0`$ :
$`\overrightarrow{E}=\overrightarrow{0}`$
* Partout ailleurs :
$`\displaystyle\overrightarrow{E}=\dfrac{1}{\rho_M}\int_{\rho=0}^{\rho_M}\dfrac{\rho\,\dens^{3D}}{\epsilon_0}\cdot\overrightarrow{e_{\rho}}`$
<br>
sont *commun à toutes les distributions* de charge à symétrie cylindrique invariantes par translation selon $`Oz`$.
* Le **calcul final de $`\overrightarrow{E}`$** nécessite de *connaître l'expression mathématique pour $`\mathbf{\dens^{3D}}`$* en chaque point de l'espace.
<br>
$`\Longrightarrow`$ **différentes distributions de charge sont étudiées** *dans la suite de cette page*.
<br>
---------------------
#### **1 -** Cylindre infini de rayon $`R`$ chargé uniformément en volume
##### Description de $`\dens`$ :
......@@ -242,8 +262,7 @@ d\left(\rho\,E_{\rho}\right)=\rho\,div\overrightarrow{E}\cdot d\rho
\rho\gt R \Longrightarrow \dens^{3D}(\rho)= 0
\end{array}\right.`$**
en vrac, à modifier et terminer.
<!------------
* 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 $`\mathscr{E}_{ext}`$, caractérisé par $`\dens=0`$ et tel que $`\rho \gt R`$
......@@ -251,53 +270,68 @@ en vrac, à modifier et terminer.
* L'*objectif final* est de calculer le champ électrique **$`\mathbf{\overrightarrow{E}}`$ en tout point $`\mathbf{M=(\rho_M\,\varphi_M\,z_M)}`$** de l'espace.
* **2 cas sont à prendre en compte**, selon que le point *$`M`$ est situé à l'intérieur* $`(\rho_M\le R)`$ ou *à l'extérieur* $`(\rho_M\gt R)`$ du cylindre chargé de rayon $`R`$.
**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 $`1\,/\,\epsilon_0`$)
----------->
<br>
**$`\large\text{Pour }\mathbf{\rho_M\le R}`$** :
donc à l'*intérieur du cylindre chargé* :
**$`\large\text{Pour }\mathbf{\rho_M = 0}`$** :
L'étude des symétries nous a permis d'affirmer précédemment que :
**$`\mathbf{\overrightarrow{E}(\rho=0) = \overrightarrow{0}}`$**
<br>
<br>
**$`\large\text{Pour }\mathbf{0\lt \rho_M\le R}`$** :
donc à l'*intérieur du cylindre chargé* mais hors axe de révolution :
<br>
**$`\displaystyle\mathbf{\rho_M\,E_{\rho}(\rho_M)=\int_{\rho=0}^{\rho_M}d\left(\rho\,E_{\rho}\right)}`$**
<br>
**$`\displaystyle\mathbf{\hspace{2.6cm}=\int_{\rho=0}^{\rho_M}\dfrac{\rho\,\dens_0^{3D}}{\epsilon_0}\,d\rho}`$**
<br>
$`\displaystyle\hspace{2.6cm}=\dfrac{\dens_0^{3D}}{\epsilon_0}\int_{\rho=0}^{\rho_M}\rho\,d\rho`$
<br>
$`\displaystyle\hspace{2.6cm}=\dfrac{\dens_0^{3D}}{\epsilon_0}\,\bigg[ \dfrac{\rho^2}{2} \bigg]_0^{\rho_M}`$
$`\displaystyle\hspace{2.6cm}=\dfrac{\dens_0^{3D}}{\epsilon_0}\,\bigg[ \dfrac{\rho^2}{2}\bigg]_0^{\rho_M}`$
<br>
$`\rho_M\,E_{\rho}(\rho_M)\;=\dfrac{\rho_M^2\,\dens_0^{3D}}{2\epsilon_0}`$
<br>
<br>
$`\forall 0\lt\rho_M\le R, \rho_M\,E_{\rho}(\rho_M)\;=\dfrac{\rho_M^2\,\dens_0^{3D}}{2\epsilon_0}`$
$`\Longrightarrow E_{\rho}(\rho_M)=\dfrac{\rho_M\,\dens_0^{3D}}{2\epsilon_0}`$
$`{\rho_M}`$ étant strictement supérieur à 0, nous obtenons :
<br>
$`\left.\begin{array}{l}
E_{\rho}(\rho_M=0)=0 \\
\forall 0\lt\rho_M\le R, E_{\rho}(\rho_M)=\dfrac{\rho_M\,\dens_0^{3D}}{2\epsilon_0}
\overrightarrow{E}=E_{\rho}(\rho)\,\overrightarrow{e_{\rho}} \\
E_{\rho}(\rho_M)=\dfrac{\rho_M\,\dens_0^{3D}}{2\epsilon_0}
\end{array}\right\}
\Longrightarrow`$
$`\forall M\in\mathscr{E}_1, E_{\rho}(\rho_M)=\dfrac{\rho_M\,\dens^{3D}_0}{2\,\epsilon_0}\,\overrightarrow{e_{\rho}}`$
**$`\mathbf{\overrightarrow{E}=\dfrac{\rho_M\,\dens^{3D}_0}{2\,\epsilon_0}\,\overrightarrow{e_{\rho}}}`$**
<br>
<br>
Au final :
**$`\large\text{Pour }\mathbf{\rho_M\gt R}`$** :
donc à l'*extérieur du cylindre chargé* :
<br>
**$`\displaystyle\mathbf{\rho_M\,E_{\rho}(\rho_M)=\int_{\rho=0}^{\rho_M}d\left(\rho\,E_{\rho}\right)}`$**
<br>
**$`\displaystyle\mathbf{\hspace{2.6cm}=\int_{\rho=0}^{\rho_M}\dfrac{\rho\,\dens_0^{3D}}{\epsilon_0}\,d\rho}`$**
<br>
$`\displaystyle\hspace{2.6cm}=\dfrac{\dens_0^{3D}}{\epsilon_0}\int_{\rho=0}^{R}\rho\,d\rho
+\int_{R}^{\rho_M}0\,d\rho`$
<br>
$`\displaystyle\hspace{2.6cm}=\dfrac{\dens_0^{3D}}{\epsilon_0}\,\bigg[ \dfrac{\rho^2}{2} \bigg]_0^{R}`$
<br>
$`\rho_M\,E_{\rho}(\rho_M)\;=\dfrac{R^2\,\dens_0^{3D}}{2\epsilon_0}`$
<br>
$`{\rho_M}`$ étant strictement supérieur à 0, nous obtenons :
<br>
$`\left.\begin{array}{l}
\overrightarrow{E}=E_{\rho}(\rho)\,\overrightarrow{e_{\rho}} \\
E_{\rho}(\rho_M)=\dfrac{\rho_M\,\dens_0^{3D}}{2\epsilon_0}
E_{\rho}(\rho_M)=\dfrac{R^2\,\dens_0^{3D}}{2\,\epsilon_0\,\rho_M}
\end{array}\right\}
\Longrightarrow`$
**$`\mathbf{\overrightarrow{E}=\dfrac{\rho_M\,\dens^{3D}_0}{2\,\epsilon_0}\,\overrightarrow{e_{\rho}}}`$**
**$`\mathbf{\overrightarrow{E}=\dfrac{\rho_M\,\dens^{3D}_0}{2\,\epsilon_0\,\rho_M}\,\overrightarrow{e_{\rho}}}`$**
<br>
--------------------------------
---------------------
#### **2 -** Cylindre infini de rayon $`R`$ chargé non uniformément en volume
......@@ -311,47 +345,72 @@ E_{\rho}(\rho_M)=\dfrac{\rho_M\,\dens_0^{3D}}{2\epsilon_0}
\rho\gt R \Longrightarrow & \dens^{3D}(\rho)= 0
\end{array}\right.`$**
<!--exemple2 à garder : \dens^{3D}(\rho) = \dfrac{A}{\rho^2} -->
<br>
**$`\large\text{Pour }\mathbf{\rho_M = 0}`$** :
L'étude des symétries nous a permis d'affirmer précédemment que :
**$`\mathbf{\overrightarrow{E}(\rho=0) = \overrightarrow{0}}`$**
<br>
<br>
**$`\large\text{Pour }\mathbf{0\lt \rho_M\le R}`$** :
donc à l'*intérieur du cylindre chargé* mais hors axe de révolution :
<br>
**$`\displaystyle\mathbf{\rho_M\,E_{\rho}(\rho_M)=\int_{\rho=0}^{\rho_M}d\left(\rho\,E_{\rho}\right)}`$**
<br>
**$`\displaystyle\mathbf{\hspace{2.6cm}=\int_{\rho=0}^{\rho_M}\dfrac{\rho\,\dens_0^{3D}}{\epsilon_0}\,d\rho}`$**
<br>
$`\displaystyle\hspace{2.6cm}=\int_{\rho=0}^{\rho_M}\dfrac{\rho\; A\,\rho^2}{\epsilon_0}\,d\rho`$
<br>
$`\displaystyle\hspace{2.6cm}=\dfrac{A}{\epsilon_0}\int_{\rho=0}^{\rho_M}\rho^3\,d\rho`$
<br>
$`\displaystyle\hspace{2.6cm}=\dfrac{A}{\epsilon_0}\,\bigg[ \dfrac{\rho^4}{4} \bigg]_0^{\rho_M}`$
<br>
$`\rho_M\,E_{\rho}(\rho_M)\;=\dfrac{A\,\rho_M^4}{4\,\epsilon_0}`$
<br>
$`{\rho_M}`$ étant strictement supérieur à 0, nous obtenons au final :
<br>
$`\left.\begin{array}{l}
\overrightarrow{E}=E_{\rho}(\rho)\,\overrightarrow{e_{\rho}} \\
E_{\rho}(\rho_M)\;=\dfrac{A\,\rho_M^3}{4\,\epsilon_0}
\end{array}\right\}
\Longrightarrow`$
**$`\mathbf{\overrightarrow{E}=\dfrac{A\,\rho_M^3}{4\,\epsilon_0}\,\overrightarrow{e_{\rho}}}`$**
<br>
* 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 $`\rho \gt R`$
à terminer
<br>
**$`\large\text{Pour }\mathbf{\rho_M\gt R}`$** :
donc à l'*extérieur du cylindre chargé* :
<br>
**$`\displaystyle\mathbf{\rho_M\,E_{\rho}(\rho_M)=\int_{\rho=0}^{\rho_M}d\left(\rho\,E_{\rho}\right)}`$**
<br>
**$`\displaystyle\mathbf{\hspace{2.6cm}=\int_{\rho=0}^{\rho_M}\dfrac{\rho\,\dens_0^{3D}}{\epsilon_0}\,d\rho}`$**
<br>
$`\displaystyle\hspace{2.6cm}=\int_{\rho=0}^{R}\dfrac{\rho\; A\,\rho^2}{\epsilon_0}\,d\rho
+\int_{R}^{\rho_M}0\,d\rho`$
<br>
$`\displaystyle\hspace{2.6cm}=\dfrac{A}{\epsilon_0}\int_{\rho=0}^{R}\rho^3\,d\rho`$
<br>
$`\rho_M\,E_{\rho}(\rho_M)\;=\dfrac{A\,R^4}{4\,\epsilon_0}`$
<br>
$`{\rho_M}`$ étant strictement supérieur à 0, nous obtenons au final :
<br>
$`\left.\begin{array}{l}
\overrightarrow{E}=E_{\rho}(\rho)\,\overrightarrow{e_{\rho}} \\
E_{\rho}(\rho_M)\;=\dfrac{A\,R^4}{4\,\epsilon_0\,\rho_M}
\end{array}\right\}
\Longrightarrow`$
**$`\mathbf{\overrightarrow{E}=\dfrac{A\,R^4}{4\,\epsilon_0\,\rho_M}\,\overrightarrow{e_{\rho}}}`$**
<br>
-----------------------
---------------------
#### **3 -** Cylindre infini creux de rayons intérieur $`R_{int}`$ et extérieur $`R_{ext}`$
* description de $`\dens`$ :
**$`\quad\left\{\begin{array}{ll}
\rho\le R_{int} \Longrightarrow & \dens^{3D}(\rho) = 0 \\
R_{int} \le \rho\le R_{ext} \Longrightarrow & \dens^{3D}(\rho) \ne 0 \\
\rho\gt R_{int} \Longrightarrow & \dens^{3D}(\rho) = 0
\end{array}\right.`$**
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
##### Utiliser le théorème de superposition
à terminer
<br>
-----------------------------
---------------------
#### **4 -** Cylindre infini de rayon $`R`$ chargé uniformément en surface
......@@ -366,42 +425,6 @@ Nous pouvons considérer **2 méthodes équivalentes**
\rho\gt R \Longrightarrow & \dens^{3D}(\rho) = 0 \\
\end{array}\right.`$**
* 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
<br>
--------------------------------
#### **5 -** Fil rectiligne infini uniformément chargé
<br>
-------------------------------
#### **6 -** Cylindres creux coaxiaux
Cas particulier où ils portent des charges opposées, lien avec le condensateur cylindrique. Parallélisme possible.
(deux méthodes équivalentes)
Pour aller plus loin, discuter du caractère "cas d'école" de ces distributions,
et introduire le phénomène d'influence qui est au programme un peu plus tard, et qui a par ailleurs déjà été vu au niveau collines.
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