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...@@ -380,7 +380,7 @@ Soit au final : ...@@ -380,7 +380,7 @@ Soit au final :
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#### Quel est le champ électrique créé en un point de son axe par une spire circulaire chargé uniformément ? #### Quel est le champ électrique créé en un point de son axe par un anneau circulaire chargé uniformément ?
<!--MAGST-400--> <!--MAGST-400-->
...@@ -388,63 +388,72 @@ Soit au final : ...@@ -388,63 +388,72 @@ Soit au final :
##### Description de la distribution de charges ##### Description de la distribution de charges
* Une **spire circulaire $`\mathcal{C}`$** de **rayon $`R`$** porte une *charge électrique $`Q`$* non nulle, *répartie uniformément* sur son paurtour. figure
* Un **anneau circulaire $`\mathcal{C}`$** de **rayon $`R`$** porte une *charge électrique $`Q`$* non nulle, *répartie uniformément* sur son paurtour.
* Pour décrire la situation et réaliser les calculs, choisissons le point **origine $`O`$** et le système de **coordonnées cylindrique $`(\rho, \varphi, z)`$**, tel que le *cercle $`\mathcal{C}`$* soit de *centre $`O`$* * Pour décrire la situation et réaliser les calculs, choisissons le point **origine $`O`$** et le système de **coordonnées cylindrique $`(\rho, \varphi, z)`$**, tel que le *cercle $`\mathcal{C}`$* soit de *centre $`O`$*
et s'inscrive *dans le plan perpendiculaire à l'axe $`Oz`$*. et s'inscrive *dans le plan perpendiculaire à l'axe $`Oz`$*.
* La *spire $`\mathcal{C}`$*, de circonférence $`L=2\pi\,R`$, se décompose mentalement en ses * L'a '*anneau $`\mathcal{C}`$*, de circonférence $`L=2\pi\,R`$, se décompose mentalement en ses
**éléments d'arc de longueur **éléments d'arc de longueur**
<br> <br>
$`dl_p = R\,d\varphi`$** **$`dl_p = R\,d\varphi`$**
<br> <br>
situés en tout *point $`P`$ de la spire* de coordonnées cylindriques situés en tout *point $`P`$ de l'anneau'* de coordonnées cylindriques
*$`P = (\rho_P=R, \,\varphi_P, z_P=0)`$*. *$`P = (\rho_P=R, \,\varphi_P, z_P=0)`$*.
* La *charge totale $`Q`$* (C) étant *répartie uniformément* sur le pourtour de la spire, la distribution spatiale de charge * La *charge totale $`Q`$* (C) étant *répartie uniformément* sur le pourtour de l'anneau', la distribution spatiale de charges
peut être totalement décrite par une **densité linéïque de charge $`\dens^{1D}_0`$** de valeur **constante** peut être totalement décrite par une **densité linéïque de charge $`\dens^{1D}_0`$** de valeur **constante**
en tout point $`P`$ de la spire, telle que : en tout point $`P`$ de l'anneau, telle que :
<br> <br>
**$`\dens^{1D}_0 = \dfrac{Q}{L} = \dfrac{Q}{2\pi\,R}\quad`$**(C&nbsp;m<sup>-1</sup>) **$`\dens^{1D}_0 = \dfrac{Q}{L} = \dfrac{Q}{2\pi\,R}\quad`$**(C&nbsp;m<sup>-1</sup>)
* Chaque *élément d'arc $`dl_P`$* porte la **charge élémentaire * Chaque *élément d'arc $`dl_P`$* porte la **charge élémentaire**
<br> <br>
$`dq_P = \dens^{1D}_0\;dl_P = \dens^{1D}_0\,R\,d\varphi\quad`$**(C) **$`dq_P = \dens^{1D}_0\;dl_P = \dens^{1D}_0\,R\,d\varphi\quad`$**(C)
figure
##### Expression du champ électrique élémentaire
* Selon la loi de Coulomb, la charge élémentaire $`dq_P`$ en tout point $`P`$ du cercle chargé créé * Selon la loi de Coulomb, la charge élémentaire $`dq_P`$ en tout point $`P`$ de l'anneau chargé créé
*en tout point $`M`$* de l'espace, le **champ électrique élémentaire** *en tout point $`M`$* de l'espace, le **champ électrique élémentaire**
<br> <br>
**$`\overrightarrow{dE}_{P\rightarrow M}=\dfrac{dq_P}{4\pi\epsilon_0}\cdot \dfrac{\overrightarrow{PM}}{\lVert \overrightarrow{PM}\rVert^3}\quad`$** **$`\overrightarrow{dE}_{P\rightarrow M}=\dfrac{dq_P}{4\pi\epsilon_0}\cdot \dfrac{\overrightarrow{PM}}{\lVert \overrightarrow{PM}\rVert^3}\quad`$**
(V&nbsp;m<sup>-1</sup>) (V&nbsp;m<sup>-1</sup>)
* Le calcul de $`\overrightarrow{E}_M`$ se limitant à l'axe $`Oz`$, les coordonnées de tout * Le calcul de $`\overrightarrow{E}`$ se limitant aux points de l'axe $`Oz`$, les coordonnées de tout
*point $`M`$ situé sur l'axe $`Oz`$* s'expriment *point $`M`$ de l'axe $`Oz`$* s'expriment
*$`M = (\rho_M = 0, \,\varphi_M = 0, \, z_M)`$* *$`M = (\rho_M = 0, \,\varphi_M = 0, \, z_M)`$*
figure * **Exprimons $`\overrightarrow{dE}_{P\rightarrow M}`$** *en fonction des données de base de l'étude*, soit
la densité linéïque de charges $`\dens^{1D}`$,
le rayon $`R`$ de la spire, la coordonnée $`z_M`$, et les vecteurs
* **Paramétrons le problème** avec les *grandeurs physiques intermédiaires utiles* $`\overrightarrow{e_{\rho}},\,\overrightarrow{e_{\varphi}},\,\overrightarrow{e_z}`$ de la base cylindrique choisie :
figure
* la distance $`d=||\,\overrightarrow{PM}\,||`$ qui intervient dans la loi de Coulomb.
* le vecteur $`\overrightarrow{e_d}`$ tel que le vecteur $`\overrightarrow{PM}`$ s'écrive $`\overrightarrow{PM}=d\cdot \overrightarrow{e_d}`$
* l'angle $`\alpha =\widehat{OMP}`$
##### Expression du champ électrique élémentaire * le vecteur $`,\overrightarrow{PM}`$ se décompose en
<br>
**$`\overrightarrow{PM}=\overrightarrow{PO}+\overrightarrow{OM}=-R\,\overrightarrow{e_{\rho}}+z_m\,\overrightarrow{e_z}`$**.
* Les coordonnées cylindriques sont orthonormées ($`\overrightarrow{e_{\rho}}\perp\overrightarrow{e_z}`$) donc
l'angle $`\alpha =\widehat{OMP}`$ est droit, le triangle (OMP) est rectangle en $`O`$.
Ainsi la *distance $`d=||\,\overrightarrow{PM}\,||`$* qui intervient dans la loi de Coulomb,
grâce au *théorème de Pythagore* appliqué au triangle (OMP), s'exprime :
<br>
**$`d = \sqrt{(-R)^2+z_M^2}=(R^2+z_M^2)^{1/2}`$**
* Calculons le **champ électrique élémentaire** au point $`M`$ créé par la charge en $`P`$ :<br> * Le **champ électrique élémentaire** au point $`M`$ créé par la charge en $`P`$ se réécrit donc :<br>
<br> <br>
*$`\overrightarrow{dE}_{P\rightarrow M}`$* **$`\mathbf{\overrightarrow{dE}_{P\rightarrow M}}`$**
$`\quad=\quad\dfrac{\dens^{1D}\cdot dl_P}{4\pi\epsilon_0}\cdot\dfrac{\overrightarrow{PM}}{||\,\overrightarrow{PM}\,||^{\,3}}`$ $`\quad=\quad\dfrac{\dens^{2D}\cdot dl_P}{4\pi\epsilon_0}\cdot\dfrac{\overrightarrow{PM}}{||\,\overrightarrow{PM}\,||^{\,3}}`$
<br> <br>
*$`\hspace{2.3cm}=\quad\dfrac{\dens^{1D}\cdot R\,d\varphi}{4\pi\epsilon_0}\cdot\dfrac{d\,\overrightarrow{e_d}}{d^3}`$* $`\hspace{2.3cm}=\quad\dfrac{\dens^{1D}\cdot R\,d\varphi}{4\pi\epsilon_0}\cdot\dfrac{\overrightarrow{PM}}{d^3}`$
<br>
* Décomposons le vecteur $`\overrightarrow{PM} = d\,\overrightarrow{e_d}`$ en fonction des vecteurs de la base cylindrique choisie. Nous obtenons :<br> **$`\hspace{2.3cm}\boldsymbol{\mathbf{=\quad\dfrac{\dens^{1D}\,R }{4\pi\epsilon_0}\cdot\dfrac{-R\,\overrightarrow{e_{\rho}}+z_m\,
*$`\quad d\,\overrightarrow{e_d}=-\,R\,\overrightarrow{e_{\rho}}\,+\,z_M\,\overrightarrow{e_z}`$* \overrightarrow{e_z}}{(R^2+z_M^2)^{3/2}}\;d\varphi}}`$**
* Nous obtenons alors :<br> * Nous obtenons alors :<br>
...@@ -553,21 +562,23 @@ figure ...@@ -553,21 +562,23 @@ figure
##### Expression du champ électrique élémentaire ##### Expression du champ électrique élémentaire
* Exprimons $`\overrightarrow{dE}_{P\rightarrow M}`$ en fonction des données de l'étude, soit * **Exprimons $`\overrightarrow{dE}_{P\rightarrow M}`$** *en fonction des données de base de l'étude*, soit
le rayon $`R`$ de la spire, la coordonnée $`z_M`$, et les vecteurs le rayon $`R`$ de la spire, la coordonnée $`z_M`$, et les vecteurs
$`\overrightarrow{e_{\rho}},\,\overrightarrow{e_{\varphi}},\,\overrightarrow{e_z}`$ de la base d'étude : $`\overrightarrow{e_{\rho}},\,\overrightarrow{e_{\varphi}},\,\overrightarrow{e_z}`$ de la base cylindrique choisie :
* le vecteur $`,\overrightarrow{PM}`$ se décompose en * le vecteur $`,\overrightarrow{PM}`$ se décompose en
<br>
**$`\overrightarrow{PM}=\overrightarrow{PO}+\overrightarrow{OM}=-R\,\overrightarrow{e_{\rho}}+z_m\,\overrightarrow{e_z}`$**. **$`\overrightarrow{PM}=\overrightarrow{PO}+\overrightarrow{OM}=-R\,\overrightarrow{e_{\rho}}+z_m\,\overrightarrow{e_z}`$**.
* Les coordonnées cylindriques sont orthonormées ($`\overrightarrow{e_{\rho}}\perp\overrightarrow{e_z}`$) donc * Les coordonnées cylindriques sont orthonormées ($`\overrightarrow{e_{\rho}}\perp\overrightarrow{e_z}`$) donc
l'angle $`\alpha =\widehat{OMP}`$ est droit, le triangle (OMP) est rectangle en $`O`$. l'angle $`\alpha =\widehat{OMP}`$ est droit, le triangle (OMP) est rectangle en $`O`$.
Ainsi la *distance $`d=||\,\overrightarrow{PM}\,||`$* qui intervient dans la loi de Coulomb, Ainsi la *distance $`d=||\,\overrightarrow{PM}\,||`$* qui intervient dans la loi de Coulomb,
grâce au *théorème de Pythagore* appliqué au triangle (OMP), s'exprime : grâce au *théorème de Pythagore* appliqué au triangle (OMP), s'exprime :
<br>
**$`d = \sqrt{(-R)^2+z_M^2}=(R^2+z_M^2)^{1/2}`$** **$`d = \sqrt{(-R)^2+z_M^2}=(R^2+z_M^2)^{1/2}`$**
* Le **champ électrique élémentaire** au point $`M`$ créé par la charge en $`P`$ se réécrit donc :<br> * Le **champ électrique élémentaire** au point $`M`$ créé par la charge en $`P`$ se réécrit donc :<br>
<br> <br>
*$`\overrightarrow{dE}_{P\rightarrow M}`$* **$`\mathbf{\overrightarrow{dE}_{P\rightarrow M}}`$**
$`\quad=\quad\dfrac{\dens^{2D}\cdot dS_P}{4\pi\epsilon_0}\cdot\dfrac{\overrightarrow{PM}}{||\,\overrightarrow{PM}\,||^{\,3}}`$ $`\quad=\quad\dfrac{\dens^{2D}\cdot dS_P}{4\pi\epsilon_0}\cdot\dfrac{\overrightarrow{PM}}{||\,\overrightarrow{PM}\,||^{\,3}}`$
<br> <br>
$`\hspace{2.3cm}=\quad\dfrac{\dens^{2D}\cdot \rho_M\,d\varphi\,d\rho}{4\pi\epsilon_0}\cdot\dfrac{\overrightarrow{PM}}{d^3}`$ $`\hspace{2.3cm}=\quad\dfrac{\dens^{2D}\cdot \rho_M\,d\varphi\,d\rho}{4\pi\epsilon_0}\cdot\dfrac{\overrightarrow{PM}}{d^3}`$
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