Électromagnétisme 1 Champ électrique en régime stationnaire
Résumé du cours
1. Notion de charge électrique
La charge est une grandeur extensive. Au niveau microscopique, elle est portée par des porteurs de charge dont la charge est quantifiée : avec et la charge élémentaire. Un électron porte la charge .
1.1. Description de la charge
1.1.1. Distribution volumique
désigne la densité volumique de charge au point et à l’instant .
Point clé 1 – Charge d’un système en description volumique ♥︎
avec la charge électrique () ; la densité volumique de charge () ; le volume ().
1.1.2. Distribution surfacique
désigne la densité surfacique de charge au point et à l’instant .
Point clé 2 – Charge d’un système en description surfacique ♥︎
avec la charge électrique () ; la densité surfacique de charge ().
1.1.3. Distribution linéique
désigne la densité linéique de charge au point et à l’instant .
Point clé 3 – Charge d’un système en description linéique ♥︎
avec la charge électrique () ; la densité linéique de charge ().
1.1.4. Distribution ponctuelle
désigne la charge d’un objet ponctuel.
1.2. Charge électrique et force
Point clé 4 – Force d’interaction électrostatique (loi de Coulomb) ♥︎
Hypothèse : Les deux particules sont ponctuelles et immobiles.
avec la force exercée par la particule 1 sur la particule 2 () ; la charge de la particule 1 () ; la charge de la particule 2 () ; la permittivité diélectrique du vide () ; le vecteur unitaire dirigé de la particule 1 vers la particule 2.
La force est répulsive si les charges sont de même signe, attractive si elles sont de signes différents.
Point clé 5 – Champ électrique créé par une particule ponctuelle ♥︎✍
Hypothèses :
La particule est placée à l’origine du repère.
La particule est ponctuelle et immobile.
avec le champ électrique () ; la charge de la particule () ; la permittivité diélectrique du vide () ; la distance à la charge (première coordonnée sphérique) () ; le vecteur unitaire radial des coordonnées sphériques.
2. Champ et potentiel électriques
2.1. Équations de Maxwell
Le champ électrique obéit aux équations de Maxwell.
Point clé 6 – Équation de Maxwell-Gauss ♥︎
avec le champ électrique () ; la densité volumique de charge () ; la permittivité diélectrique du vide ().
Point clé 7 – Équation de Maxwell-Faraday ♥︎
avec le champ électrique () ; le champ magnétique ().
2.2. Potentiel électrique
Point clé 8 – Potentiel électrique ♥︎✍
Hypothèse : En régime stationnaire.
avec le champ électrique () ; le potentiel électrique ().
Comme pour toute constante , le potentiel électrique est défini à une constante additive près : on choisit arbitrairement sa valeur en un point.
Application 1 ✍
Déterminer le potentiel électrique créé par une charge ponctuelle située à l’origine du repère. On choisira à l’infini.
Point clé 9 – Circulation de ♥︎✍
Hypothèse : En régime stationnaire.
avec le champ électrique () ; le potentiel électrique au point () ; le potentiel électrique au point ().
2.3. Équation de Poisson
Point clé 10 – Équation de Poisson ♥︎✍
Hypothèse : En régime stationnaire.
avec le laplacien scalaire ; le potentiel électrique () ; la densité volumique de charge () ; la permittivité diélectrique du vide ().
Point clé 11 – Équation de Laplace ♥︎✍
Hypothèses :
En régime stationnaire.
Dans une zone vide de charges.
avec le laplacien scalaire ; le potentiel électrique ().
2.4. Topographie des cartes de champ
2.4.1. Tubes de champ en l’absence de sources
Une ligne de champ est une courbe tangente en tout point au champ. Un tube de champ est un ensemble de lignes de champ s’appuyant sur une courbe fermée.
Point clé 12 – Conservation du flux de ♥︎✍
Hypothèse : Dans une zone vide de charges.
Le flux de est le même à travers chaque section d’un même tube de champ.
avec le champ électrique ().
Un rétrécissement d’un tube de champ s’accompagne donc d’une augmentation de la norme du champ électrique.
2.4.2. Passer d’une carte à l’autre
Point clé 13 – Lien entre cartes de champ et cartes de potentiel ♥︎
Hypothèse : En régime stationnaire.
les lignes de champ sont orthogonales aux équipotentielles ;
pointe dans le sens des potentiels décroissants ;
plus est grand, plus les équipotentielles sont resserrées.
Application 2 ✍
Tracer des lignes de champ électrique sur les cartes d’équipotentielles suivantes.
Application 3 ✍
Tracer des équipotentielles sur la carte de lignes de champ suivante.
Application 4 ✍
Déterminer la valeur, la direction et le sens du champ électrique aux points et à l’aide de la carte des équipotentielles. La carte est à l’échelle 1:1.
2.5. Linéarité
Les équations de Maxwell étant linéaires, on peut appliquer le théorème de superposition.
Point clé 14 – Théorème de superposition ♥︎✍
Si les distributions et créent respectivement les champs et , alors la distribution crée le champ .
2.6. Lien avec la mécanique
Le champ électrique a été construit de sorte à être lié simplement à la force subie par une particule chargée. L’énergie potentielle d’une particule chargée peut, elle, être déduite simplement du potentiel électrique.
Point clé 15 – Énergie potentielle électrostatique ♥︎✍
Hypothèse : En régime stationnaire.
avec l’énergie potentielle électrostatique d’une particule chargée () ; la charge de la particule () ; le potentiel électrique ().
Cette expression peut être utilisée pour déterminer la vitesse d’une particule chargée après traversée d’une zone de champ.
Application 5 ✍
Les téléviseurs cathodiques couleur utilisaient des tensions de l’ordre de entre deux électrodes pour accélérer les électrons (, ) initialement immobiles. Calculer leur énergie cinétique puis leur vitesse après avoir traversé la zone séparant les électrodes1.
3. Théorème de Gauss
3.1. Symétries du champ électrique
Les symétries de la distribution de charge contraignent le champ électrique.
Point clé 16 – Principe de Curie ♥︎
Lorsque des causes produisent des effets, les symétries des causes se retrouvent dans leurs effets.
Point clé 17 – Plans de symétrie et champ électrique ♥︎✍
Le champ électrique est inclus dans les plans de symétrie de la distribution de charge.
Application 6 ✍
On considère une boule uniformément chargée. Déterminer la direction du champ électrique en tout point de l’espace.
Si, pour chaque couple de points symétriques par un plan, la distribution de charge y est opposée, le plan est un plan d’antisymétrie.
Point clé 18 – Plans d’antisymétrie et champ électrique ♥︎✍
Le champ électrique est orthogonal aux plans d’antisymétrie de la distribution de charge.
Application 7 ✍
On considère deux armatures planes en regard, de charges opposées. Déterminer la direction du champ électrique dans le plan médiateur des armatures.
3.2. Invariances du champ électrique
Un champ est invariant par une transformation si celle-ci le laisse inchangé. Les invariances de la distribution de charge contraignent le champ électrique.
Point clé 19 – Principe de Curie (invariances) ♥︎
Les invariances des causes se retrouvent dans leurs effets : possède (au moins) les invariances de la distribution de charge.
Application 8 ✍
De quelles variables d’espace dépend le champ électrique dans chacun des cas suivants ?
boule uniformément chargée de densité volumique ;
plan infini uniformément chargé de densité surfacique ;
fil infini infiniment fin uniformément chargé de densité linéique .
3.3. Théorème de Gauss
Point clé 20 – Théorème de Gauss ♥︎✍
avec une surface fermée orientée vers l’extérieur ; le champ électrique () ; la charge contenue à l’intérieur de () ; la permittivité diélectrique du vide ().
Application 9 ✍
Déterminer le champ électrique créé par une particule ponctuelle de charge .
Application 10 ✍
Déterminer le champ électrique créé par une boule de rayon uniformément chargée de densité volumique . En déduire l’expression du potentiel électrique.
Application 11 ✍
Déterminer le champ électrique créé par un cylindre plein de rayon , infiniment long, uniformément chargé de densité volumique . En déduire l’expression du potentiel électrique.
Application 12 ✍
Déterminer le champ électrique créé par un plan infini uniformément chargé de densité surfacique . En déduire l’expression du potentiel électrique.
3.4. Analogie avec le champ de gravitation
Champ électrique et champ gravitationnel sont analogues.
électrostatique
gravitation
Grandeur portée par une particule
charge ()
masse ()
Force
Champ
()
()
Constante
Point clé 21 – Théorème de Gauss gravitationnel ♥︎✍
avec une surface fermée orientée vers l’extérieur ; le champ gravitationnel () ; la masse contenue à l’intérieur de () ; la constante gravitationnelle ().
Application 13 ✍
La Terre a une masse et un rayon . Déterminer le champ gravitationnel qu’elle crée dans tout l’espace, en supposant sa masse volumique uniforme.
4. Condensateur plan
4.1. Champ électrique
Point clé 22 – Champ électrique dans un condensateur plan ✍
Hypothèses :
En régime stationnaire, effets de bord négligés.
Deux armatures planes en regard, uniformément chargées de charges opposées, séparées par du vide.
avec le champ électrique () ; la charge électrique () ; la permittivité diélectrique du vide () ; un vecteur unitaire allant de l’armature positive vers l’armature négative ; la surface d’une armature ().
4.2. Capacité
Point clé 23 – Capacité d’un condensateur plan ♥︎✍
Hypothèses :
En régime stationnaire, effets de bord négligés.
Deux armatures planes identiques en regard, de charges opposées, séparées par du vide.
avec la capacité du condensateur () ; la surface d’une armature () ; la permittivité diélectrique du vide () ; la distance entre les armatures ().
4.3. Influence de la permittivité
Lorsque l’espace entre les armatures est occupé par un isolant, il faut prendre en compte sa permittivité.
Point clé 24 – Capacité d’un condensateur plan avec diélectrique ✍
Hypothèses :
En régime stationnaire, effets de bord négligés.
Deux armatures planes identiques en regard, de charges opposées.
avec la capacité du condensateur () ; la surface d’une armature () ; la permittivité diélectrique de l’isolant () ; la permittivité diélectrique relative de l’isolant (sans unité) ; la permittivité diélectrique du vide () ; la distance entre les armatures ().
Application 14 ✍
Un condensateur céramique de capacité comporte un diélectrique de permittivité relative et d’épaisseur . Déterminer le diamètre des armatures.
4.4. Aspect énergétique
L’énergie stockée dans un condensateur ne dépend que de la tension à ses bornes.
Point clé 25 – Énergie stockée dans un condensateur ♥︎✍
avec l’énergie stockée () ; la capacité du condensateur () ; la tension aux bornes du condensateur ().
L’énergie stockée dans un condensateur l’est sous forme électrostatique. L’énergie totale stockée dans un condensateur peut être utilisée pour déterminer la forme de l’énergie électrostatique volumique.
Point clé 26 – Densité volumique d’énergie électrostatique ♥︎✍
Hypothèse : Dans le vide.
avec la densité volumique d’énergie électrostatique () ; la permittivité diélectrique du vide () ; le champ électrique ().
Application 15 ✍
Déterminer l’énergie électrostatique totale contenue dans tout l’espace pour une boule de rayon uniformément chargée de densité volumique .
1La valeur trouvée n’est pas négligeable devant la vitesse de la lumière. Pour faire les choses bien, il faudrait traiter ce calcul dans un cadre relativiste, on trouve alors une vitesse plus faible.