Electros et Visualis

(8 pages)
http://www.plaf.org/phycats Prépa ATS Dijon - Sciences physiques - ÉLECTROSTATIQUE
ATS
ATSATS
ATS Sciences physiques
TP D'INFORMATIQUE
ASPECTS VISUELS DE L'ÉLECTROSTATIQUE
D URÉE PRÉVUE : 2h
Matériel : PC sous Windows, émulateur DOS "DOSBox", logiciel "Electros", logiciel "Visualis Electromagnetism".
À noter : "Electros" est un logiciel conçu pour MS-DOS ; "Visualis" ne fonctionne pas sous un système 64bits.
BUT : Le but est de mettre en évidence les champs électriques, les lignes de champ, le potentiel électrostatique... créés par diverses distributions
de charges.
1. ELECTROS : RÉGLAGE PRÉALABLE
L'émulateur DOS doit être réglé pour afficher le logiciel "Electros" en plein écran :
Menu Démarrer > Tous les programmes > DOSBox-0.74 > Options > DOSBox 0.74 Options
Dans le fichier texte qui s'ouvre, remplacer "fullscreen=false" par "fullscreen=true".
2. ELECTROS : PRISE EN MAIN DU LOGICIEL
Ce paragraphe regroupe les principales fonctions du logiciel, que nous appliquerons à l'étude d'un système de deux charges ponctuelles de signes
opposés.
Pour lancer le logiciel, cliquer sur Logiciels pour les sciences physiques, à partir du "menu démarrer", puis sur Electrostatique. La fenêtre DOS
s'ouvre et un écran titre apparaît : appuyer sur une touche quelconque. Un écran de présentation apparaît : appuyer sur une touche quelconque.
Apparaissent alors les divers menus, le menu Fichiers étant ouvert :
Pour se déplacer dans un menu : [ ↓
↓↓
↓ ] ou [ ↑
↑↑
↑ ]
Pour changer de menu : [→
→→
→] ou [←
←←
←]. On revient au menu Fichiers par [F9 ]
Pour fermer un menu ou annuler une action : [échap]
Pour valider ou entrer dans un sous-menu : [↵
↵↵
↵ ]
Pour passer du graphe au menu : [échap], clic droit ou [↵
↵↵
↵ ] selon les cas
Aide contextuelle : [F1 ]
Sommaire de l'aide : [F1 ] 2 fois
Raccourcis clavier dans chaque menu : [Alt ] + lettre indiquée. Exemple : quitter = [F9 ], [Alt ] + [ O ]
2.1. Construction du système : illustration du principe de superposition.
Menu sYstème : indiquer le nombre et les caractéristiques de chaque type de source.
Nous choisirons : charges :Ponctuelles [↵
↵↵
↵ ] (attention à ne pas prendre système dipolaire), puis Modifier système [↵
↵↵
↵ ] : suivre les indications de
manière à obtenir q
1
= 1 placée en P
1
(-2,-2) et q
2
= - 1 placée en P
2
(2,2)
Pour terminer : menu sYstème : > Valider ces valeurs < [↵
↵↵
↵ ]
2.2. Visualisation des lignes de champ, du vecteur champ, et des surfaces équipotentielles
a) zone d'étude et précision
Menu Lignes : zone d'étude [↵
↵↵
↵ ]. Vérifier que la zone définie par défaut convient, puis > Valider ces valeurs < [↵
↵↵
↵ ].
Menu Lignes : précision [↵
↵↵
↵ ]. La précision 0 convient généralement.

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b) Tracé des lignes de champ
Menu Lignes : tracer les lignes [↵
↵↵
↵ ] : choisir de champ puis valider [↵
↵↵
↵ ].
Il est intéressant, de commander manuellement le tracé. Dans ce cas, menu Lignes :
à Partir : [↵
↵↵
↵ ] d'Un point quelconque [↵
↵↵
↵ ]. Valider ensuite choix du point par
souris [↵
↵↵
↵ ].
Clic gauche trace la ligne de champ passant par le curseur de la souris. Ensuite
répéter : [espace] clic gauche (Remarque : [espace] peut être remplacé par n'importe
quelle touche). Pour revenir au menu Lignes : clic droit.
c) Tracé du vecteur champ
Menu Champs : zone d'étude [↵
↵↵
↵ ]. Elargir éventuellement la zone de manière à ce
que les vecteurs soient entièrement contenus sur l'écran (faire des essais), puis [↵
↵↵
↵ ].
Menu Champs : Champ électrostatique [↵
↵↵
↵ ], en Plusieurs points [↵
↵↵
↵ ].
(Essayer aussi les autres options).
au Nombre de [↵
↵↵
↵ ] : entrer la valeur [↵
↵↵
↵ ]. Disposés [↵
↵↵
↵ ] : horizontalement, verticalement ou sur un cercle.
Effacer l'écran si nécessaire par [] + [F5 ] ou Effacer/
//
/positionner [↵
↵↵
↵ ], puis selon le résultat souhaité faire [] + [F6 ] ou [] + [F7 ]
d) Tracé des lignes équipotentielles
Menu Lignes : tracer les lignes [↵
↵↵
↵ ] : choisir equiPotentielles puis valider [↵
↵↵
↵ ].
Si l'on souhaite effacer l'écran avant le tracé, Lignes : Effacer/
//
/positionner [↵
↵↵
↵ ] , ou [F5 ].
Dans le cas de lignes équipotentielles qui se referment loin des limites de l'écran, la procédure est la même que pour les lignes de champ (voir b).
Dans le cas de lignes équipotentielles qui se referment sur elles-mêmes, remplacer [espace] clic gauche par [espace] [espace] [espace] clic
gauche, et clic droit par [espace] [espace] clic droit.
Remarque : les tracés des lignes de champ et des équipotentielles peuvent se faire simultanément, la procédure étant alors la même que pour les
équipotentielles.
2.3. Graphe V(x,y)
a) paramétrage du graphe
Menu Potentiels : zone d'étude [↵
↵↵
↵ ]. Vérifier que la zone définie par défaut convient, puis [↵
↵↵
↵ ]. Menu Potentiels : Fonction à tracer : potentiel
on passe de -V(M) à +V(M) avec [↵
↵↵
↵ ].
On peut également modifier le nombre de lignes, la précision, la distance minimale de mesure du potentiel (r_limite).
b) tracé
Menu Potentiels : eFfacer et tracer potentiel ou [Ctrl] + [F6 ]. On peut placer les axes avec la commande menu Potentiels : trAcer repère.
2.4. Impression éventuelle (noir & blanc) : maximum 1 par poste et par séance.
sortie Imprimante [↵
↵↵
↵ ]. Ne pas s'occuper du message "Est-ce correct...", taper [↵
↵↵
↵ ] pour entrer un titre (type de système, type de graphe), et finir
par [↵
↵↵
↵ ]. Ne pas oublier d'annoncer le lancement d'une impression pour éviter un embouteillage au niveau de l'imprimante!
3. ELECTROS : EXPLOITATION DES GRAPHES
Pour chacun des cinq thèmes d'étude suivants, reconstruire quelques-unes des 16 figures proposées en annexe et répondre aux questions.
3.1. Symétries
Figures 1 à 4 : Que peut-on dire du sens de
E
?
Localiser les axes de symétrie et les plans d'antisymétrie des différentes distributions de charges, à partir de ces
graphes en 2 dimensions.
Vérifier les propriétés géométriques de
E
en ces points particuliers.
Que peut-on dire de la direction de
E
en dehors de ces points?
Figures 5 et 6 : Rechercher les axes de symétrie de la distribution de charge. Conclure.

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3.2. Potentiel
Figures 8 et 11 : Où sont situés les extrema de V(x,y)? Les maxima? les minima?
Conclusion : peut-on observer un extremum de V en dehors des charges?
Figure 8 : Quel est le signe de V dans la "zône d'influence" de la charge positive? de la charge négative?
Quelle est la valeur de la charge totale?
Que vaut la valeur moyenne de V?
Figure 11 : D'après la valeur moyenne du potentiel, que peut-on dire du signe de la charge totale du système?
3.3. Flux électrostatique
On "rappelle" que
∫∫
∈
=
SM
SdMESE ²).(),( Φ . Pour plus de précisions, voir le doc "ANNEXES".
Figures 5 à 7 : Flux à travers des surfaces fermées :
D'après la relation de définition du flux, déterminer le signe de Φ dans chaque cas.
Comparer au signe de la charge contenue dans la surface fermée.
On parle parfois de flux "sortant" ou "entrant". Relier ces termes, qui se passent de définition, au signe de Φ .
Figure 7 : On parle de flux conservatif à travers une surface fermée lorsque la somme des flux élémentaires sortants est égale à
la somme des flux élémentaires entrants.
Dans quel cas l'observe-t-on?
Figures 5 et 6 : Pour laquelle de ces deux surfaces fermées, sphérique ou cubique, obtiendra-t-on une expression facilement
calculable du flux? Pour quelle(s) raison(s)?
Figures 5 à 7 : Quels flux permettent de déterminer
E
à l'aide du théorème de Gauss?
Commenter chaque cas.
3.4. Approximation unipolaire
Qu'est-ce qu'une charge ponctuelle? Existe-t-il des exemples concrets de charge ponctuelle?
Construire le système de 5 charges ponctuelles suivant :
q
1
= -1 P
1
(0,0) ; q
2
= 2 P
2
(1,1) ; q
3
= 1 P
3
(-2,1) ; q
4
= -3 P
4
(-1,-1) ; q
5
= 3 P
5
(-1,-2)
Ce système existe probablement déjà sous le nom APROXUNI.ELE.
Tracer les équipotentielles et les lignes de champ à proximité, puis à grande distance (modifier pour cela la zone d'étude).
Figures 9, 10, 12 : D'après ces graphiques, en quoi consiste l'approximation unipolaire?
Dans quels cas cette approximation se justifie-t-elle?
Donner un exemple concret tiré de la structure de la matière.
3.5. Approximation dipolaire
Figures 15 et 16 : Comment définiriez-vous un dipôle électrique?
Existe-t-il des exemples concrets de dipôle électrique?
A partir du système précédent, modifier les valeurs des charges q
1
et q
2
: q
1
= 1 q
2
= -2 pour obtenir un système de charge totale
nulle. Ce système existe probablement déjà sous le nom APROXDIP.ELE.
Tracer les équipotentielles et les lignes de champ à proximité, puis à grande distance (modifier pour cela la zone d'étude).
Figures 13, 14, 16 : D'après ces graphiques, en quoi consiste l'approximation dipolaire?
Dans quels cas cette approximation se justifie-t-elle?
Donner un exemple concret tiré de la structure de la matière.
4. ELECTROS : QUITTER LE PROGRAMME
Menu Fichiers > Quitter : Oui. Sauvegarde dans TRAVAIL.ELE ? Non (taper N).
Dans la fenêtre DOS qui apparaît, taper EXIT puis [↵
↵↵
↵ ].
5. ELECTROS : ANNEXES (LES GRAPHIQUES)

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