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Pipeline #10569 canceled with stage
...@@ -31,7 +31,12 @@ $`\def\PSclosed{\mathscr{S}_{\displaystyle\tiny\bigcirc}}`$ ...@@ -31,7 +31,12 @@ $`\def\PSclosed{\mathscr{S}_{\displaystyle\tiny\bigcirc}}`$
!!!! Document de travail destiné uniquement aux équipes pédagogiques. !!!! Document de travail destiné uniquement aux équipes pédagogiques.
### **Distributions cylindriques de charge** ### **Distributions cylindriques de charge :**
#### Comment sont-elles définies ?
* La distribution de charge possède un **axe unique de révolution**.
* Tout **plan contenant l'axe de révolution** est *plan de symétrie* pour la charge électrique.
#### Quel repère de l'espace choisir ? #### Quel repère de l'espace choisir ?
...@@ -43,12 +48,12 @@ $`\def\PSclosed{\mathscr{S}_{\displaystyle\tiny\bigcirc}}`$ ...@@ -43,12 +48,12 @@ $`\def\PSclosed{\mathscr{S}_{\displaystyle\tiny\bigcirc}}`$
* Une distribution de charge est décrite par une **densité de charge $`\dens`$**. * Une distribution de charge est décrite par une **densité de charge $`\dens`$**.
* **Invariance par rotation d'angle $`\Delta\varphi`$ quelconque** autour de l'axe de révolution $`Oz`$ * **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> <br><br>
### **Distribution cylindrique de charge, invariante par translation quelconque selon $`z`$** ### **Distributions cylindriques de charge,<br> invariantes par translation quelconque selon $`z`$**
#### De quelles coordonnées dépend $`\dens`$ ? #### De quelles coordonnées dépend $`\dens`$ ?
...@@ -136,8 +141,19 @@ $`\displaystyle\quad= E \iint_{\mathcal{S}_{lat}} \rho\,d\varphi\,dz`$ ...@@ -136,8 +141,19 @@ $`\displaystyle\quad= E \iint_{\mathcal{S}_{lat}} \rho\,d\varphi\,dz`$
**$`\mathbf{\quad\quad\;\,= 2\pi \rho\,h\, E}`$** **$`\mathbf{\quad\quad\;\,= 2\pi \rho\,h\, E}`$**
#### Comment calculer la charge $`Q_{int}`$ à l'intérieur de $`\mathbf{\mathcal{S}_G}`$ ? #### Comment calculer la charge $`Q_{int}`$, puis en déduire $`\overrightarrow{E}`$ ?
* **Les résultats précédents**
* $`\overrightarrow{E}(\rho, \varphi, z)=E(\rho)\,\overrightarrow{e_{\rho}}`$
* $`\Phi_E^{\mathcal{S}_G}= 2\pi \rho\,h\, E`$ , avec $`\Phi_E`$ le flux de $`\overrightarrow{E}`$ à travers $`{\mathcal{S}_G}`$
sont *commun à toutes les distributions* de charge à symétrie cylindrique invariantes par translation selon $`Oz`$.
* Le **calcul de $`Q_{int}`$** puis **de $`\overrightarrow{E}`$** nécessitent de *connaître l'expression mathématique pour $`\dens`$* en chaque point de l'espace.
<br>
$`\Longrightarrow`$ *différentes distributions de charge sont étudiées* dans la suite.
##### Calcul de la charge $`Q_{int}`$
* $`Q_{int}`$ est la charge contenue à l'intérieur de $`\mathbf{\mathcal{S}_G}`$ * $`Q_{int}`$ est la charge contenue à l'intérieur de $`\mathbf{\mathcal{S}_G}`$
...@@ -145,11 +161,36 @@ $`\displaystyle\quad= E \iint_{\mathcal{S}_{lat}} \rho\,d\varphi\,dz`$ ...@@ -145,11 +161,36 @@ $`\displaystyle\quad= E \iint_{\mathcal{S}_{lat}} \rho\,d\varphi\,dz`$
* **$`\mathbf{\tau_G}`$** *volume intérieur* à $`\mathbf{\mathcal{S}_G}`$. * **$`\mathbf{\tau_G}`$** *volume intérieur* à $`\mathbf{\mathcal{S}_G}`$.
* **$`\mathbf{d\tau}`$** est l'*élément de volume*. * **$`\mathbf{d\tau}`$** est l'*élément de volume*.
##### Calcul de $`\overrightarrow{E}`$
* Il *résulte de la synthèse des résultats* précédents.
* L'**égalité entre les deux termes** du théorème de Gauss *donne la composante $`E`$* du champ $`\overrightarrow{E}=E\;\overrightarrow{e_{\rho}}`$ en tout point de l'espace :
<br>
$`\oiint_{\mathcal{S}_G}\overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{dS}`$
**$`\mathbf{=\dfrac{1}{\epsilon_0}}`$** *$`\,Q_{int}`$* **$`\quad\Longrightarrow\mathbf{\text{ expression de }E}`$**.
<br>
Ne pas oublier le terme $`\dfrac{1}{\epsilon_0}`$.
* L'écriture complète s'écrit **$`\mathbf{\overrightarrow{E}=E\;\overrightarrow{e_{\rho}}}`$** *en remplaçant sa composante $`E`$ par son expression*.
<!--===============pour partie principale?==============
* Les symétries et invariances de $`\dens`$ ont donné en tout point $`M=M\,(\rho, \varphi, z)`$ de l'espace la direction de $`\overrightarrow{E}`$ sous la forme d'une amplitude $`E`$ et du vecteur unitaire $`\overrightarrow{e_{\rho}}`$ :
<br>
$`\overrightarrow{E},(\rho, \varphi, z)=E\;`\overrightarrow{e_{\rho}}`$
* Une surface de Gauss contenant $`M`$ et adaptée a permis de calculer une expression simple pour le flux $`\overrightarrow{E}`$ à travers elle-même.
* La charge totale $`Q_{int}`$ de la surface de Gauss a été évalué pour toute position de $`M`$.
========================================-->
<!-----trop général et confus, si amélioré, pour une partie principale------------ <!-----trop général et confus, si amélioré, pour une partie principale------------
* En genéral, il n'y a pas de fonction mathématique décrivant la densité volumique de charge $`\dens^{3D}`$ sur tout l'espace. * En genéral, il n'y a pas de fonction mathématique décrivant la densité volumique de charge $`\dens^{3D}`$ sur tout l'espace.
* Il y a un nombre entier $`n`$ de fonctions mathématiques différentes décrivant $`\dens^{3D}`$ et qui correspondent à $`n`$ sous-espaces complémentaires de l'espace $`\mathscr{E}`$. * Il y a un nombre entier $`n`$ de fonctions mathématiques différentes décrivant $`\dens^{3D}`$ et qui correspondent à $`n`$ sous-espaces complémentaires de l'espace $`\mathscr{E}`$.
* Il y a un nombre entier $`n`$ de fonctions mathématiques parfois identiques décrivant $`\dens^{3D}`$ et qui correspondent à $`n`$ sous-espaces complémentaires de l'espace $`\mathscr{E}`$ séparés par des surfaces 2D caractérisées par une densité surfacique $`\dens^{2D}`$ de charge. * Il y a un nombre entier $`n`$ de fonctions mathématiques parfois identiques décrivant $`\dens^{3D}`$ et qui correspondent à $`n`$ sous-espaces complémentaires de l'espace $`\mathscr{E}`$ séparés par des surfaces 2D caractérisées par une densité surfacique $`\dens^{2D}`$ de charge.
-----------------------------------------------> ----------------------------------------------->
<br>
#### 1 ) Cylindre infini de rayon $`R`$ chargé uniformément en volume #### 1 ) Cylindre infini de rayon $`R`$ chargé uniformément en volume
...@@ -221,9 +262,55 @@ $`\Ltau_G\cap\mathscr{E}_{ext}`$ _tel que_ $`\dens=0`$ _et_ $`\rho\gt R`$. ...@@ -221,9 +262,55 @@ $`\Ltau_G\cap\mathscr{E}_{ext}`$ _tel que_ $`\dens=0`$ _et_ $`\rho\gt R`$.
<br> <br>
**$`\displaystyle\mathbf{Q_{int}= \dens^{3D}_0\times \pi\,R^2\,h}\quad`$** _(pour $`\rho\gt R)`$_ **$`\displaystyle\mathbf{Q_{int}= \dens^{3D}_0\times \pi\,R^2\,h}\quad`$** _(pour $`\rho\gt R)`$_
<!--============================================--> ##### Calcul de $`\overrightarrow{E}`$
La synthèse des résultats donne :
* **Pour $`\mathbf{\rho\le R}`$**,
donc à l'*intérieur du cylindre chargé* :
<br>
$`\oiint_{\mathcal{S}_G}\overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{dS}=`$
**$`\mathbf{2\pi \rho\,h\, E}`$**
$`\;=\dfrac{Q_{int}}{\epsilon_0}`$
**$`\mathbf{\;=\dens^{3D}_0\times \pi\,\rho^2\,h}`$**
<br>
Au final :
$`\left.\begin{array}{l}
\overrightarrow{E}=E_{\rho}(\rho)\,\overrightarrow{e_{\rho}}=E\,\overrightarrow{e_{\rho}} \\
2\pi \rho\, h\,E= \pi\,\rho^2\,h\, \dens^{3D}_0
\end{array}\right\}
\Longrightarrow`$
**$`\mathbf{\overrightarrow{E}=\dfrac{\rho\,\dens^{3D}_0}{2\,\epsilon_0}\,\overrightarrow{e_{\rho}}}`$**
* **Pour $`\mathbf{\rho\gt R}`$**,
donc à l'*extérieur du cylindre chargé* :
<br>
$`\oiint_{\mathcal{S}_G}\overrightarrow{E}\cdot\overrightarrow{dS}=`$
**$`\mathbf{2\pi \rho\,h\, E}`$**
$`\;=\dfrac{Q_{int}}{\epsilon_0}`$
**$`\mathbf{\;=\dens^{3D}_0\times \pi\,R^2\,h}`$**
<br>
Au final :
$`\left.\begin{array}{l}
\overrightarrow{E}=E_{\rho}(\rho)\,\overrightarrow{e_{\rho}}=E\,\overrightarrow{e_{\rho}} \\
2\pi \rho\,h\, E= \pi\,R^2\,h\, \dens^{3D}_0
\end{array}\right\}
\Longrightarrow`$
**$`\mathbf{\overrightarrow{E}=\dfrac{R^2\,\dens^{3D}_0}{2\,\epsilon_0\,\rho}\,\overrightarrow{e_{\rho}}}`$**
* *Remarques :* **$`\overrightarrow{E}=0`$ sur l'axe de révolution** $`\Delta`$ du cylindre,
*en accord avec les symétries* en tout point de cet axe :
<br>
$`\forall M \in \Delta`$ :
$`\left.\begin{array}{l} \overrightarrow{E}\;\text{vecteur polaire} \\
P_1\,(M, \overrightarrow{e_{\rho}}, \overrightarrow{e_z})\; \text{plan de symétrie} \\
\text{tous les plans contenant }\Delta \text{ sont plans de symétrie}
\end{array}\right\}\,\Longrightarrow`$$`\overrightarrow{E}=\overrightarrow{0}`$
<br><br>
##### _2 )_ Cylindre infini de rayon $`R`$ chargé non uniformément en volume #### _2 )_ Cylindre infini de rayon $`R`$ chargé non uniformément en volume
* description de $`\dens`$ : * description de $`\dens`$ :
...@@ -305,3 +392,9 @@ et introduire le phénomène d'influence qui est au programme un peu plus tard, ...@@ -305,3 +392,9 @@ et introduire le phénomène d'influence qui est au programme un peu plus tard,
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