Électrostatique

Distributions continues

  • 1. Distributions volumiques
    • a. Densité volumique de charges

Échelles de longueur :

  • Microscopique : charges quasi ponctuelles (ions, électrons).
  • Mésoscopique : très grand nombre de charges ponctuelles, densité volumique de charge.
  • Macroscopique : la densité volumique de charge est un champ scalaire : ρ(x,y,z) .

Simulation montrant le passage du microscopique au mésoscopique.

Densité volumique de charges ρ(x,y,z)

image/svg+xml V dV P

Quantité de charge dans le volume élémentaire dV situé au point P(x,y,z) :

dq=ρ(P)dV

Quantité de charge dans un volume V :

Q=∭Vρ(P)dV

Intégrale de la densité de charges sur le volume.

Distribution volumique de charges : distribution définie par une densité volumique de charges ρ(x,y,z) .

Distribution dite « continue » par opposition aux distributions « discrètes » (charges ponctuelles).

La densité est continue par morceaux dans l'espace.

Théorème de Gauss pour une surface fermée \(S\) dont \(V\) est le volume intérieur :

∬SE→(M)⋅ns→(M)dS=1ε0∭Vρ(P)dV
  • 1. Distributions volumiques
    • a. Densité volumique de charges
    • b. Sphère chargée

Sphère de centre \(O\) et de rayon \(R\), chargée en volume avec une densité volumique de charges uniforme ρ0 .

Coordonnées sphériques de centre O : \(r,\theta,\phi\).

Quantité de charge totale :

Q=43πR3ρ0

Point \(M\) quelconque, tout plan contenant \(M\) et \(O\) est un plan de symétrie de la distribution.

image/svg+xml O M Πs Π's ur

Le vecteur E→(M) est contenu dans ces plans de symétrie donc :

E→=Er(r,θ,φ)u→r

La distribution est invariante par rotation autour de toute droite passant par O donc :

E→=Er(r)u→r

Surface fermée pour appliquer le théorème de Gauss : sphère de centre \(O\) et de rayon \(r\).

image/svg+xml O M E(M) ns=ur S r
∬S Er(r)dS=Qintε0 Er(r)4πr2=Qintε0

Pour un point \(M\) en dehors de la sphère (\(r>R)\) :

Qint=Q Er(r)=Q4πε0r2

Champ identique à celui créé par une charge ponctuelle placée en \(O\).

Volume de la couche comprise entre \(r\) et \(r+dr\) :

dV=4πr2dr

Pour un point \(M\) dans la sphère (\(r\le R\)) :

Qint=∫0rρ(r) 4πr'2dr' =43πr3ρ0

Dans la sphère (\(r\le R\)) :

Er(r)=r3ε0ρ0

Continuité de E→ en \(r=R\).

Au centre de la sphère : E→=0→ .

Analogie avec le champ gravitationnel :

G→=-Gmu→rr2E→=q4πε0u→rr2

Théorème de Gauss :

∬SG→⋅n→s dS=-4πG Mint

Théorème : le champ E→ créé par une distribution volumique de charges est une fonction continue des variables d'espace.

  • 2. Distributions surfaciques
    • a. Densité surfacique de charges

Charges localisées au voisinage de la surface d'un conducteur

image/svg+xml Conducteur Surface e Chargé ρ = ρo Neutre ρ = 0 dS

Quantité de charge portée par une surface élémentaire \(dS\) :

dq=ρoedS

Si \(e\) est très petite à l'échelle macroscopique, limite e→0 et ρ0→∞ :

dq=σdS

σ=eρo densité surfacique de charges.

Distribution surfacique de charges : la charge est répartie sur une ou plusieurs surfaces et définie par une densité surfacique σ(x,y,z) .

Remarque : ρ est infinie sur une surface chargée et sur une charge ponctuelle (charge finie dans un volume nul).

Le champ E→ n'est pas continu aux points de densité infinie.

  • 2. Distributions surfaciques
    • a. Densité surfacique de charges
    • b. Plan infini chargé

Le plan (Oxy) est chargé avec une densité uniforme σ0

image/svg+xml x y σ0 Π'S ΠS E z M

Point \(M\) quelconque, tout plan contenant \(M\) et perpendiculaire à (Oxy) est un plan de symétrie de la distribution. En particulier les plans :

(M,u→x,u→z)(M,u→y,u→z)

Le vecteur E→(M) est contenu dans ces plans :

E→=Ez(x,y,z)u→z

Une distribution de charges est invariante par translation dans la direction u→ si toute translation ℓu→=MM'→ dans cette direction ne modifie pas la distribution.

Le champ électrostatique est alors invariant par translation :

E→(M)=E→(M') pour toute distance ℓ .

Le plan chargé est invariant par translation dans les directions u→x et u→y donc

E→=Ez(z)u→z

Le plan (Oxy) est un plan de symétrie de la distribution donc un plan de symétrie du champ :

Ez(-z)=-Ez(z)
image/svg+xml x y z M M' z -z   ns(z) ns(-z) Charge intérieure Σ (aire A) Σ' (aire A) Σc

Surface fermée : S=Σc∪Σ∪Σ'

Σc : surface cylindrique de génératrice (Oz)

Σ surface parallèle au plan à la côte z

Σ' surface parallèle au plan à la côte -z

Théorème de Gauss (z>0) :

∬ΣEz(z)u→z⋅u→z dS+∬Σ'Ez(-z)u→z⋅(-u→z)dS +∬ΣcE→⋅n→sdS=Aσ0ε0 2AEz(z)=Aσ0ε

Champ électrostatique créé par le plan infini chargé :

Ez=σ2ε0pourz>0Ez=-σ2ε0pourz<0

Sur le plan chargé (plan de symétrie) : Ez(0)=0 .

Discontinuité sur la surface chargée.

  • 2. Distributions surfaciques
    • a. Densité surfacique de charges
    • b. Plan infini chargé
    • c. Condensateur plan

Condensateur : deux conducteurs métalliques auxquels une différence de potentiel est appliquée.

image/svg+xml U Q -Q Faces internes Face externe e R Q=CU

C : capacité du condensateur (en Farad, ou C/V)

Modèle du condensateur plan infini, valable si e≪R : deux conducteurs plan infinis, densités de charges -σ0 et σ0 sur les faces internes, pas de charges sur les faces externes.

image/svg+xml σ0 -σ0 E   A B E   U e z 0 e

Superposition de deux plans chargés :

z<0,Ez=00<z<e,Ez=-σ0ε0z>e,Ez=0

Circulation du champ électrostatique :

∫ABE→⋅t→dl=VA-VB=U Ez=-Ue

Plaques d'aire \(S\), charge Q=Sσ0 .

Capacité du condensateur :

C=ε0Se

Potentiel (\(0\le z\le e\)) :

V(z)=Uze

Condensateur de taille finie :

  • 3. Distributions linéiques
    • a. Densité linéique de charges

Fil de rayon r chargé en surface.

Courbe chargée si r→0 .

image/svg+xml σ dl dq = λdl

λ : densité linéique de charges. Charge d'un segment élémentaire :

dq=λdl
  • 3. Distributions linéiques
    • a. Densité linéique de charges
    • b. Fil rectiligne infini

Coordonnées cylindriques (r,θ,z)

image/svg+xml Z λ0 Πs ur M Π's

Plans de symétrie : Πs(M,u→r,u→z) et Π's(M,u→r,u→θ) .

Le vecteur E→(M) est contenu dans Πs et Π's donc :

E→=Er(r,θ,z)u→r

Invariance par translation selon u→z (fil infini) :

E→=Er(r,θ)u→r

Invariance par rotation autour de (Oz):

E→=Er(r)u→r

Surface fermée S : cyclindre de révolution de rayon r et de longueur L

S=Σc∪Σ1∪Σ2 image/svg+xml Z λ0 M E(M) r L Σc Σ1 Σ2

Théorème de Gauss :

∬ΣcEr(r)u→r⋅u→rdS=λ0 Lε0Er(r)2πrL=λ0 Lε0Er(r)=λ02πε01r

Discontinuité de E→ en \(r=0\).

  • 4. Équations locales
    • a. Opérateur divergence

Opérateur divergence, agissant sur un champ vectoriel :

divE→=∂Ex∂x+∂Ey∂y+∂Ez∂z

Autre notation (opérateur nabla) :

divE→=∇→⋅E→

Divergence en coordonnées cylindriques :

divE→=1r∂(rEr)∂r+1r∂Eθ∂θ+∂Ez∂z

Divergence en coordonnées sphériques :

divE→=1r2∂∂r(r2Er)+1rsinθ∂∂θ(sinθEθ)+1rsinθ∂Eφ∂φ
  • 4. Équations locales
    • a. Opérateur divergence
    • b. Théorème d'Ostrogradsky

Le flux sortant d'un vecteur à travers une surface fermée est égal à l'intégrale de sa divergence dans le volume délimité par la surface :

∬SE→⋅n→s dS=∭VdivE→dV
  • 4. Équations locales
    • a. Opérateur divergence
    • b. Théorème d'Ostrogradsky
    • c. Théorème de Gauss

Surface fermée \(S\), délimitant un volume \(V\)

∬SE→⋅n→s dS=1ε0∭ρdV

D'après le théorème d'Ostrogradsky, pour tout volume \(V\) :

∭VdivE→dV=1ε0∭ρdV∭V(divE→-ρε0)dV=0

Forme locale du théorème de Gauss :

divE→=ρε0

En coordonnées cartésiennes :

∂Ex∂x+∂Ey∂y+∂Ez∂z=ρ(x,y,z)ε0

Si la densité ρ est finie, Ex,Ey,Ez sont des fonctions continues et dérivables.

Dans le vide divE→=0 .

La forme locale n'est pas utilisable (discontinuité de E→ ) :

  • Sur une charge ponctuelle.
  • Sur une surface chargée.
  • Sur une charge linéique.
  • 4. Équations locales
    • a. Opérateur divergence
    • b. Théorème d'Ostrogradsky
    • c. Théorème de Gauss
    • d. Produit vectoriel

Convention du trièdre direct.

Orientation des angles dans l'espace.

image/svg+xml a b c θ = 90 ° θ = - 90 ° a b c

Base orthonormée directe (u→x,u→y,u→z) .

Produits vectoriels :

u→x∧u→y=u→zu→y∧u→z=u→xu→z∧u→x=u→y

Produit vectoriel de deux vecteurs :

image/svg+xml C = A ∧ B Ax Ay Az Bx By Bz ∧ Ax Ay Az Bx By Bz ∧ Ax Ay Az Bx By Bz ∧ Cx Cy Cz Cx=AyBz-AzBy
  • 4. Équations locales
    • a. Opérateur divergence
    • b. Théorème d'Ostrogradsky
    • c. Théorème de Gauss
    • d. Produit vectoriel
    • e. Opérateur rotationnel

Opérateur rotationnel, agissant sur un champ vectoriel :

rot→E→=∇→∧E→=(∂∂x∂∂y∂∂z)∧(ExEyEz)
rot→E→=(∂Ez∂y-∂Ey∂z)u→x+(∂Ex∂z-∂Ez∂x)u→y+(∂Ey∂x-∂Ex∂y)u→z
  • 4. Équations locales
    • a. Opérateur divergence
    • b. Théorème d'Ostrogradsky
    • c. Théorème de Gauss
    • d. Produit vectoriel
    • e. Opérateur rotationnel
    • f. Théorème de Stokes

\(C\) : Courbe fermée orientée. \(S\) : surface ouverte délimitée par \(C\).

\(C\) est le contour de la surface \(S\).

Orientation de la surface par rapport au contour.

image/svg+xml C C S n n S

La circulation d'un vecteur sur une courbe fermée orientée est égale au flux de son rotationnel sur une surface délimitée par la courbe :

∮CE→⋅t→ dl=∬S(rot→E→)⋅n→dS
  • 4. Équations locales
    • a. Opérateur divergence
    • b. Théorème d'Ostrogradsky
    • c. Théorème de Gauss
    • d. Produit vectoriel
    • e. Opérateur rotationnel
    • f. Théorème de Stokes
    • g. Conservation de la circulation

Propositions équivalentes pour le champ électrostatique E→ :

  • Sa circulation entre deux points ne dépend pas du chemin (circulation conservative).
  • Il dérive d'un potentiel.
  • C'est un champ conservatif.
  • Sa circulation sur toute courbe fermée est nulle.

Pour toute courbe fermée \(C\) :

∮CE→⋅t→ dl=0

D'après le théorème de Stokes, pour toute surface ouverte \(S\) :

∬S(rot→E→)⋅n→ dS=0

Forme locale de la conservation de la circulation :

rot→E→=0→
  • 4. Équations locales
    • a. Opérateur divergence
    • b. Théorème d'Ostrogradsky
    • c. Théorème de Gauss
    • d. Produit vectoriel
    • e. Opérateur rotationnel
    • f. Théorème de Stokes
    • g. Conservation de la circulation
    • h. Équation de Poisson

Lois de l'électrostatique :

divE→=ρε0rot→E→=0→⇔ilexisteVtelqueE→=-grad→V

Équation aux dérivées partielles pour le potentiel :

div(grad→V)=-ρε0

Laplacien d'un champ scalaire :

ΔV=div(grad→V)

Autre notation : ∇2V .

En coordonnées cartésiennes :

ΔV=∂2V∂x2+∂2V∂y2+∂2V∂z2

Laplacien en coordonnées cylindriques :

Δ(f)=1r∂∂r(r∂f∂r)+1r2∂2f∂θ2+∂2f∂z2

Laplacien en coordonnées sphériques :

Δ(f)=1r2∂∂r(r2∂f∂r)+1r2sinθ∂∂θ(sinθ∂f∂θ)+1r2sin2θ∂2f∂φ2

Équation de Poisson de l'électrostatique :

ΔV=-ρε0
  • 4. Équations locales
    • a. Opérateur divergence
    • b. Théorème d'Ostrogradsky
    • c. Théorème de Gauss
    • d. Produit vectoriel
    • e. Opérateur rotationnel
    • f. Théorème de Stokes
    • g. Conservation de la circulation
    • h. Équation de Poisson
    • i. Équation de Laplace

Problème d'électrostatique avec deux conducteurs dans le vide

image/svg+xml U V1 V2 V∞ = 0 U = V2 - V1

Dans le vide ΔV=0 (équation de Laplace).

Conditions limites :

  • Sur la surface d'un conducteur : V=V1 ou V=V2 .
  • À très grande distance : V=0 .

Solution unique V(x,y,z) .

Champ électrostatique E→=-grad→V .