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9a40aa9c
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9a40aa9c
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May 12, 2022
by
Claude Meny
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...ge-distributions/10.gauss-integral/10.main/textbook.fr.md
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12.temporary_ins/10.electrostatics-vacuum/40.gauss-theorem-applications/25.cylindrical-charge-distributions/10.gauss-integral/10.main/textbook.fr.md
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9a40aa9c
...
...
@@ -27,18 +27,41 @@ $`\def\PSclosed{\mathscr{S}_{\displaystyle\tiny\bigcirc}}`$
!!!! Document de travail destiné uniquement aux équipes pédagogiques.
### Distributions de charge à symétrie
cylindrique
### Distributions de charge à symétrie
de révolution
##### Distribution
cylindrique de charge
et repère cylindrique $`(O,\rho, \varphi, z)`$
##### Distribution
de charge à symétrie de révolution
et repère cylindrique $`(O,\rho, \varphi, z)`$
Une distribution
cylindrique de charge signifie que géométriquement les charges sont localisées dans un cylindre.
La forme "cylindre" possède un axe de révolution.
Une distribution
de charge à symétrie de révolution signifie que les charges possèdent
un axe de rotation d'ordre infini appelé axe de révolution.
Le repère de l'espace le mieux adapté pour décrire une
distribution cylindrique
est le
Le repère de l'espace le mieux adapté pour décrire une
telle distribution
est le
repère cylindrique $
`(O, \rho, \varphi, z)`
$ où l'axe $
`Oz`
$ est l'axe de révolution du cylindre,
l'origine $
`O`
$ étant un point quelconque pris sur cet axe.
Décrite dans ce repère cylindrique $
`(O, \rho, \varphi, z)`
$, la distribution
de charge à symétrie de révolution se caractérise par une invariance de la densité de charge
par rotation d'angle $
`\varphi`
$ quelconque. Il en résulte que la densité volumique
de charge ne dépend plus de la coordonnée $
`\varphi`
$, mais des seules coordonnées $
`\rho`
$ et $
`z`
$.
$
`\dens`
$ à symétrie cylindrique $
`\require{cancel}\Longleftrightarrow\dens\,(\rho,\xcancel{\varphi}, z) =\dens\,(\rho, z)`
$
Un cylindre de rayon $
`R`
$ uniformément chargé est un exemple de distribution de charge
à symétrie de révolution qui peut être décrite, dans le repère cylindrique associé, par :
*
la densité volumique de charge
\d
ens^{3D} :
$
`\left\{\begin{array}{ll}
\rho\le R \Longrightarrow \dens^{3D}(\rho)=\dens^{3D}_0 = cste\ne 0 \\
\rho\gt R \Longrightarrow \dens^{3D}(\rho)= 0
\end{array}\right.`
$
*
lorsque la section droite du fil est négligée, par la densité surfacique de charge
\d
ens^{1D} :
$
`\left\{\begin{array}{ll}
r = 0 \Longrightarrow \dens^{1D}(\rho)=\dens^{1D}_0 = cste\ne 0 \\
r \ne 0 \Longrightarrow \dens^{1D}(\rho)=0
\end{array}\right.`
$
##### Distributions volumique, surfacique et linéïque de charge
L'espace réel perçu possède 3 dimensions, les charges occupent les trois dimensions
...
...
@@ -91,51 +114,6 @@ $`\dens^{1D} = \dens^{1D}\,(z)\quad`$ $`Cm^{-1}`$
!! sur les propriétés physiques de la matière, dès ce niveau contrefort puis au niveau montagne.
##### Distributions de charge à symétrie cylindrique
Une distribution de charge à symétrie cylindrique est un cas particulier de distribution
cylindrique de charge, qui se caractérise par une invariance de la densité de charge
par rotation d'angle $
`\varphi`
$ quelconque. Il en résulte que la densité volumique
de charge ne dépend plus de la coordonnée $
`\varphi`
$, mais des seules coordonnées $
`\rho`
$ et $
`z`
$.
$
`\dens`
$ à symétrie cylindrique $
`\require{cancel}\Longleftrightarrow\dens\,(\rho,\xcancel{\varphi}, z) =\dens\,(\rho, z)`
$
*
Distribution de charge cylindrique et uniforme :
Dans le cylindre, $
`\dens\,(\rho, \varphi, z) = cste`
$
#### Le fil rectiligne infini uniformément chargé
Le théorème de Gauss montre que pour toute surface fermée $
`S`
$, le flux du vecteur
champ électrique $
`\overrightarrow{E}`
$ à travers $
`S`
$ égale la charge totale contenue
à l'intérieur de $
`S`
$ divisé par la permittivité électrique du vide $
`\epsilon_0`
$.
Ce théorème, dans les cas simples où il peut être utilisé en pratique pour le calcul
du champ électrique $
`\overrightarrow{E}`
$ en tout point de l'espace, remplace un calcul
direct qui serait extrêmement compliqué à conduire.
La condition à cette simplicité d'utilisation du théorème de Gauss est de connaître
à l'avance des d'informations minimum sur le champ $
`\overrightarrow{E}`
$ créé par
la distribution de charge étudiée, à savoir sa direction en tout point de l'espace
et les coordonnées dont il dépend explicitement.
Ces informations sont données par les symétries et invariances de la distribution de charge.
Information donnée par l'étude des invariances.
Si, exprimée dans un système de coordonnées $
`(\alpha, \beta, \gamma)`
$ une distribution
de charge reste invariante lors d'une variation quelconque d'une des coordonnées,
par exemple la coordonnée $
`\beta`
$, alors la valeur de cette distribution de charge
ne dépend pas de cette coordonnée $
`\beta`
$.
Information donnée par l'étude des symétries.
Non terminé !!!
$
`\displaystyle\oiint_S \overrightarrow{E}\cdot\ \overrightarrow{dS} = \dfrac{Q_{int}}{\epsilon_0}`
$
#### Le cylindre infini chargé
...
...
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