CHAPITRE 1 ÉLECTROSTATIQUE DANS LE VIDE 1.1 CHAMP

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CHAPITRE 1
ÉLECTROSTATIQUE DANS LE VIDE
On s’interesse aux propriétés physiques des charges immobiles dans un référentiel
R
supposé galiléen, placées dans le vide.
1.1 CHAMP ÉLECTROSTATIQUE
1.1.1 Notions générales
On classe les corps en deux catégories :
::::::::::::::
Conducteurs
: présentent des électrons (de valence) libres qui peuvent se déplacer
d’un atome à un autre.
Exemple : les métaux, les éléctrolytes,
···
::::::::::
Isolants
: corps dépourvu d’électrons libres ( les électrons de valence sont liés).
Exemple : le bois, le verre, le papier, le plastique
···
L’électron est une particule «élementaire» de charge
q=e
=-
1.6×1019 coulomb
Toute charge
q
est un multiple entier de la charge de l’électron : On dit que la
charge est quantifiée
|q|=Ne
La charge est une grandeur extensive , ne dépend pas du référentiel, pour un
système isolé, la charge est conservée.
Une charge élémentaire
dq
occupant dans l’espace un volume élémentaire
dτ
sera considérée comme ponctuelle si les dimensions de
dτ
sont très négligeables de-
vant une distance caractéristique du système, autrement dit le point P où se situe la
charge
dq
est vu du point M situé à grande distance.(
(dτ)1/3PM
)
P(dτ, dq)
PM =r
M
dq
ponctuelle
=3
dτr
1.1.2 Répartition de charge
Soit
q
une charge occupant un volume (
V
) :
3
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1.1. CHAMP ÉLECTROSTATIQUE ÉLECTROMAGNÉTISME-MPSI/TSI/PCSI
P(dτ, dq)
(V,q)
Soit
dq
une charge élémentaire occupant le volume
dτ
centré en P
On appelle densité volumique de charge exprimé en (
C m3
)la grandeur
ρ(P)=dq(P)
dτ(P)=q=$V
ρ(P)dτ
Définition
Densité volumique de charge
Exemples :
Sphère de rayon
R
chargée uniformément en volume (
ρ=cte
)
dq =ρdτ=q=4
3ρπR3
cylindre de rayon
R
et de hauteur
h
chargée uniformément en volume (
ρ=cte
)
dq =ρdτ=q=ρπR2h
Cube d’arrête
a
chargée uniformément en volume (
ρ=cte
)
dq =ρdτ=q=ρa3
Lorsque une dimension est très négligeable devant les deux autres, on définit la den-
sité surfacique de charge
(σ)
On appelle densité surfacique de charge exprimé en (
C m2
)la grandeur
σ(P)=dq(P)
dS(P)=q="Σ
σ(P)dS
Définition
Densité surfacique de charge
Exemples :
Sphère de rayon
R
chargée uniformément en surface (
σ=cte
)
dq =σdS =q=4πσR2
cylindre de rayon
R
et de hauteur
h
chargée uniformément en en surface latérale
(
σ=cte
)
dq =σdS =q=2σπRh
Disque de rayon
R
chargé uniformément
dq =σdS =q=σπR2
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1.1. CHAMP ÉLECTROSTATIQUE ÉLECTROMAGNÉTISME-MPSI/TSI/PCSI
Si deux dimensions sont négligeables devant la troisième alors on définit la densité
linéique
On appelle densité linéique de charge exprimé en (
C m1
)la grandeur
λ(P)=dq(P)
d(P)=q=ZΓ
λ(P)d
Définition
Densité linéique de charge
Exemple :
segment AB de longueur
dq =λd=q=λℓ
Pour une distribution discrète de charge différentes ; Avec
qi
la charge d’une
espèce et
Ni
son nombre, occupant un volume
V
Remarque
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M
i(qi)
Soit
q
la charge totale du système, donc :
q=
n
X
i=1
qiNi=ρ=q
V=
n
X
i=1
n
iqi
Avec
n
la densité particulaire , qui représente le nombre de particules par unité de
volume
n=N
V
1.1.3 Complément mathématique
On rappelle que :
Vecteur position et déplacement élémentaire :
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1.1. CHAMP ÉLECTROSTATIQUE ÉLECTROMAGNÉTISME-MPSI/TSI/PCSI
OM d
OM
Coordonnées cartésiennes
x
ex+y
ey+z
ezdx
ex+dy
ey+dz
ez
Coordonnées Cylindriques
r
er+z
ezr
er+rdθ
eθ+dz
ez
Coordonnées sphériques
r
erdr
er+rdθ
eθ+rsinθdϕ
eϕ
Surface élémentaire :
Soit
a
et
b
deux vecteurs :
a
bS
la surface
S
délimitée par le parallélogramme formé par
a
et
b
est
S=k
a
bk
On oriente la surface
S
par un vecteur unitaire
n
défini par
n=
a
b
k
a
bk
Il en résulte que
S=S
n=
S=
a
b
Surface élémentaire en coordonnées cartésiennes :
-
dSz=dx
exdy
ey=
dSz=dxdy
ez
-
dSy=dz
ezdx
ex=
dSy=dxdz
ey
-
dS x=dy
eydz
ez=
dS x=dydz
ex
Surface élémentaire en coordonnées cylindriques :
Le cylindre présente deux surfaces de bases (A et B)et une surface latérale
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1.1. CHAMP ÉLECTROSTATIQUE ÉLECTROMAGNÉTISME-MPSI/TSI/PCSI
A
B
-Surface de base :
dSbase =±rdrdθ
ez
-Surface latérale :
dS L=rdθ
eθdz
ez=
dS L=rdθdz
er
Surface élémentaire en coordonnées sphériques :
A
Pour une sphère
r=cte
donc
dS =rdθ
eθrsinθdϕ
eϕ=
dS =r2sinθdθdϕ
er
Pour les surfaces fermées (en 3D : délimitant un volume) on oriente toujours
la normale
n
vers l’extérieur
Remarque
On rappelle que la surface :
de base d’un cylindre de rayon
R
est
SB=πR2
latérale d’un cylindre de rayon
R
et de hauteur
h
est
SL=2πRh
d’une sphère de rayon
R
est
S=4πR2
Volume élémentaire :
On rappelle que le volume délimité par trois vecteurs vaut
V=(
a
b).
c
volume élémentaire en coordonnées cartésiennes :
dτ=dxdydz
volume élémentaire en coordonnées cylindriques :
dτ=rdrdθdz =⇒ V(
cylindre
)=πR2h
volume élémentaire en coordonnées sphériques :
dτ=r2sinθdrdθdϕ=⇒ V(
sphère
)=4
3πR3
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