diff --git a/exercices/champs_electrique.md b/exercices/champs_electrique.md index c38cd9291d6d6de6822a4c93135c5154d3a41e74..6374c08f789c5ffe5cd0687e9ebd9f6336c4ecd7 100644 --- a/exercices/champs_electrique.md +++ b/exercices/champs_electrique.md @@ -63,11 +63,9 @@ uniforme $E=10^3\mathrm{N}/\mathrm{C}$ avec une face perpendiculaire au champs ## Ex 1: {.unnumbered} \begin{align*} -e = 1.6022\cdot10^{-19}C\qquad m_e = 9\cdot 10^{-31}kg -\\ -m = 10g = 10^{-2}kg -\\ -Q = 1\mu C= 10^{-6}C +e&= 1.6022\cdot10^{-19}C\qquad m_e = 9\cdot 10^{-31}kg\\ +m&= 10g = 10^{-2}kg\\ +Q&= 1\mu C= 10^{-6}C \end{align*} Pour gagner une charge de $1\mu C$, il faut perdre un certain nombre d'électrons $n$. On sait que la charge de l'électron est de $-e$. Il suffit donc de calculer le poids des électrons perdus. On commence par calculer $n$ : @@ -91,8 +89,8 @@ Pour savoir le pourcentage de masse perdu, il suffit de faire : Ce qui nous donne : \begin{align*} -100\cdot(1-\frac{10^{-2}-\frac{9\cdot10^{-31}\cdot10^{-6}}{1.6022\cdot10^{-19}}}{10^{-2}}) = 100\cdot(1-\frac{10^{-2}-\frac{9\cdot10^{-37}}{1.6022\cdot10^{-19}}}{10^{-2}})\\=100\cdot(1-\frac{10^{-2}-\frac{9}{1.6022}\cdot10^{-18}}{10^{-2}})=100\cdot (1-1+\frac{9}{1.6022}\cdot10^{-16})\\ -= 100\cdot \frac{9}{1.6022}\cdot10^{-16}=\frac{9}{1.6022}\cdot10^{-14}\approx5.62\cdot10^{-14}\% +&100\cdot(1-\frac{10^{-2}-\frac{9\cdot10^{-31}\cdot10^{-6}}{1.6022\cdot10^{-19}}}{10^{-2}}) = 100\cdot(1-\frac{10^{-2}-\frac{9\cdot10^{-37}}{1.6022\cdot10^{-19}}}{10^{-2}})\\=100\cdot(1-\frac{10^{-2}-\frac{9}{1.6022}\cdot10^{-18}}{10^{-2}})=100\cdot (1-1+\frac{9}{1.6022}\cdot10^{-16})\\ +&= 100\cdot \frac{9}{1.6022}\cdot10^{-16}=\frac{9}{1.6022}\cdot10^{-14}\approx5.62\cdot10^{-14}\% \end{align*} Notre objet a donc perdu environ $5.62\cdot10^{-14}\%$ de sa masse. @@ -101,34 +99,34 @@ Notre objet a donc perdu environ $5.62\cdot10^{-14}\%$ de sa masse. \begin{align*} -E=\frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{Q}{r^2}\\ -Q_1=-5\mu C=-5\cdot10^{-6}C\qquad Q_2=7\mu C=7\cdot10^{-6}C\\ -d=10cm=10^{-1}m +E&=\frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{Q}{r^2}\\ +Q_1&=-5\mu C=-5\cdot10^{-6}C\qquad Q_2=7\mu C=7\cdot10^{-6}C\\ +d&=10cm=10^{-1}m \end{align*} Pour calculer le champs électrique résultant entre deux charges, on se sert du principe de superposition : \begin{align*} -E=\sum_{i} E_i\\ -E = E_1+E_2 +E&=\sum_{i} E_i\\ +E&= E_1+E_2 \end{align*} On a donc : \begin{align*} -E_1 = \frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{Q_1}{(\frac{d}{2})^2}=\frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{Q_1}{\frac{d^2}{4}}\\ -E_2 = \frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{Q_2}{(\frac{d}{2})^2}=\frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{Q_2}{\frac{d^2}{4}}\\ +E_1&= \frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{Q_1}{(\frac{d}{2})^2}=\frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{Q_1}{\frac{d^2}{4}}\\ +E_2&= \frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{Q_2}{(\frac{d}{2})^2}=\frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{Q_2}{\frac{d^2}{4}}\\ \end{align*} Ce qui nous donne : \begin{align*} -E =\frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{Q_1}{\frac{d^2}{4}}+\frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{Q_2}{\frac{d^2}{4}}\\ -E=\frac{1}{4\pi\epsilon_0\cdot\frac{d^2}{4}}\cdot(Q_1 + Q_2)\\ -E=\frac{1}{4\pi\epsilon_0\cdot\frac{(10^{-1})^2}{4}}\cdot(-5\cdot10^{-6} + 7\cdot10^{-6})\\ -E=\frac{1}{\pi\epsilon_0\cdot10^{-2}}\cdot2\cdot10^{-6}\\ -E=\frac{1}{\pi\epsilon_0}\cdot2\cdot10^{-4}\approx {7.19\cdot10^{6}}\frac{N}{C} +E&=\frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{Q_1}{\frac{d^2}{4}}+\frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{Q_2}{\frac{d^2}{4}}\\ +E&=\frac{1}{4\pi\epsilon_0\cdot\frac{d^2}{4}}\cdot(Q_1 + Q_2)\\ +E&=\frac{1}{4\pi\epsilon_0\cdot\frac{(10^{-1})^2}{4}}\cdot(-5\cdot10^{-6} + 7\cdot10^{-6})\\ +E&=\frac{1}{\pi\epsilon_0\cdot10^{-2}}\cdot2\cdot10^{-6}\\ +E&=\frac{1}{\pi\epsilon_0}\cdot2\cdot10^{-4}\approx {7.19\cdot10^{6}}\frac{N}{C} \end{align*} La valeur de notre champs électrique entre nos deux charges est donc environ de ${7.19\cdot10^{6}}\frac{N}{C}$. @@ -137,9 +135,9 @@ La valeur de notre champs électrique entre nos deux charges est donc environ de \begin{align*} -q_e=-e=-1.6022\cdot10^{-19}C\qquad m_e = 9\cdot 10^{-31}kg\\ -a=100\frac{m}{s^2}\\ -F=Eq=m\cdot a +q_e&=-e=-1.6022\cdot10^{-19}C\qquad m_e = 9\cdot 10^{-31}kg\\ +a&=100\frac{m}{s^2}\\ +F&=Eq=m\cdot a \end{align*} @@ -152,16 +150,16 @@ F=m_e\cdot a On connaît également la relation entre la force subie et le champs électrique : \begin{align*} -F=E\cdot q_e \and F=m_e\cdot a \Leftrightarrow E\cdot q_e=m_e\cdot a\\ -E=\frac{m_e\cdot a}{q_e} +F&=E\cdot q_e \and F=m_e\cdot a \Leftrightarrow E\cdot q_e=m_e\cdot a\\ +E&=\frac{m_e\cdot a}{q_e} \end{align*} Ce qui nous donne : \begin{align*} -E=\frac{9\cdot 10^{-31}\cdot 100}{-1.6022\cdot10^{-19}}=\frac{9\cdot 10^{-29}}{-1.6022\cdot10^{-19}}\\ -E=\frac{9}{-1.6022}\cdot 10^{-10}\approx -5.62\cdot10^{-10}\frac{N}{C} +E&=\frac{9\cdot 10^{-31}\cdot 100}{-1.6022\cdot10^{-19}}=\frac{9\cdot 10^{-29}}{-1.6022\cdot10^{-19}}\\ +E&=\frac{9}{-1.6022}\cdot 10^{-10}\approx -5.62\cdot10^{-10}\frac{N}{C} \end{align*} @@ -169,9 +167,9 @@ E=\frac{9}{-1.6022}\cdot 10^{-10}\approx -5.62\cdot10^{-10}\frac{N}{C} \begin{align*} -E=\sum_{i} \frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{Q_i}{r_i^2}=\sum_{i} k\frac{Q_i}{r_i^2}\\ -E = E_1+E_2 = 0 \frac{N}{C}\\ -r_1 = \frac{r}{3}\qquad r_2 = \frac{2}{3}\cdot r +E&=\sum_{i} \frac{1}{4\pi\epsilon_0}\frac{Q_i}{r_i^2}=\sum_{i} k\frac{Q_i}{r_i^2}\\ +E&= E_1+E_2 = 0 \frac{N}{C}\\ +r_1&= \frac{r}{3}\qquad r_2 = \frac{2}{3}\cdot r \end{align*} @@ -185,14 +183,14 @@ E=k\cdot(\frac{Q_1}{\frac{r}{3}^2}+\frac{Q_2}{(\frac{2}{3}\cdot r)^2}) On va donc isoler le rapport $\frac{Q_1}{Q_2}$, en sachant que $E=0$, ce qui nous donne : \begin{align*} -E=k\cdot(\frac{Q_1}{\frac{r}{3}^2}+\frac{Q_2}{(\frac{2}{3}\cdot r)^2})=0\\ -0=\frac{Q_1}{\frac{r^2}{3^2}}+\frac{Q_2}{\frac{2}{3}^2\cdot r^2}\\ -0=\frac{Q_1}{\frac{1}{3^2}\cdot r^2}+\frac{Q_2}{\frac{2}{3}^2\cdot r^2}\\ -0=\frac{Q_1}{\frac{1}{3^2}}+\frac{Q_2}{(\frac{2}{3})^2}\\ -0=3^2\cdot Q_1+(\frac{3}{2})^2\cdot Q_2\\ -0=36\cdot Q_1+9\cdot Q_2\\ --36\cdot Q_1=9\cdot Q_2\\ -\frac{Q_1}{Q_2}=-\frac{9}{36}=-\frac{1}{4} +E&=k\cdot(\frac{Q_1}{\frac{r}{3}^2}+\frac{Q_2}{(\frac{2}{3}\cdot r)^2})=0\\ +0&=\frac{Q_1}{\frac{r^2}{3^2}}+\frac{Q_2}{\frac{2}{3}^2\cdot r^2}\\ +0&=\frac{Q_1}{\frac{1}{3^2}\cdot r^2}+\frac{Q_2}{\frac{2}{3}^2\cdot r^2}\\ +0&=\frac{Q_1}{\frac{1}{3^2}}+\frac{Q_2}{(\frac{2}{3})^2}\\ +0&=3^2\cdot Q_1+(\frac{3}{2})^2\cdot Q_2\\ +0&=36\cdot Q_1+9\cdot Q_2\\ +-36\cdot Q_1&=9\cdot Q_2\\ +\frac{Q_1}{Q_2}&=-\frac{9}{36}=-\frac{1}{4} \end{align*} Le rapport entre nos deux charges est donc $\frac{Q_1}{Q_2}=-\frac{1}{4}$. @@ -201,37 +199,37 @@ Le rapport entre nos deux charges est donc $\frac{Q_1}{Q_2}=-\frac{1}{4}$. \begin{align*} -S_{face} = 10cm \cdot 10cm = 10^{-2}m^2\\ -E = 10^3\frac{N}{C}\\ -\Phi_E=\sum_{i=1}^{6} \Phi_{E_i}=\sum_{i=1}^{6} ES_{face}\cos{\theta_i} +S_{face} &= 10cm \cdot 10cm = 10^{-2}m^2\\ +E &= 10^3\frac{N}{C}\\ +\Phi_E&=\sum_{i=1}^{6} \Phi_{E_i}=\sum_{i=1}^{6} ES_{face}\cos{\theta_i} \end{align*} Pour calculer le flux passant à travers la surface de notre cube, il nous faut déterminer les différents angles $\theta_i$. On sait que l'une des faces (que l'on appellera face n°1) est perpendiculaire au champs, par conséquent, on sait que le vecteur normal de cette surface forme un angle nul avec le champs. On peut donc déduire les autres angles : \begin{align*} -\theta_1 = 0\\ -\theta_2 = \frac{\pi}{2}\\ -\theta_3 = \pi\\ -\theta_4 = \frac{\pi}{2}\\ -\theta_5 = \frac{\pi}{2}\\ -\theta_6 = \frac{\pi}{2} +\theta_1 &= 0\\ +\theta_2 &= \frac{\pi}{2}\\ +\theta_3 &= \pi\\ +\theta_4 &= \frac{\pi}{2}\\ +\theta_5 &= \frac{\pi}{2}\\ +\theta_6 &= \frac{\pi}{2} \end{align*} Ce qui nous donne les flux suivants pour chacune des faces : \begin{align*} -\Phi_{E_1} = ES_{face}\cos\theta_1 = 10^3\cdot10^{-2} \cos 0 = 10 \frac{N\cdot m^2}{C}\\ -\Phi_{E_2} = ES_{face}\cos\theta_2 = 10^3\cdot10^{-2} \cos \frac{\pi}{2} = 0 \frac{N\cdot m^2}{C}\\ -\Phi_{E_3} = ES_{face}\cos\theta_3 = 10^3\cdot10^{-2} \cos \pi = -10 \frac{N\cdot m^2}{C}\\ -\Phi_{E_4} = ES_{face}\cos\theta_4 = 10^3\cdot10^{-2} \cos \frac{\pi}{2} = 0 \frac{N\cdot m^2}{C}\\ -\Phi_{E_5} = ES_{face}\cos\theta_5 = 10^3\cdot10^{-2} \cos \frac{\pi}{2} = 0 \frac{N\cdot m^2}{C}\\ -\Phi_{E_6} = ES_{face}\cos\theta_6 = 10^3\cdot10^{-2} \cos \frac{\pi}{2} = 0 \frac{N\cdot m^2}{C} +\Phi_{E_1} &= ES_{face}\cos\theta_1 = 10^3\cdot10^{-2} \cos 0 = 10 \frac{N\cdot m^2}{C}\\ +\Phi_{E_2} &= ES_{face}\cos\theta_2 = 10^3\cdot10^{-2} \cos \frac{\pi}{2} = 0 \frac{N\cdot m^2}{C}\\ +\Phi_{E_3} &= ES_{face}\cos\theta_3 = 10^3\cdot10^{-2} \cos \pi = -10 \frac{N\cdot m^2}{C}\\ +\Phi_{E_4} &= ES_{face}\cos\theta_4 = 10^3\cdot10^{-2} \cos \frac{\pi}{2} = 0 \frac{N\cdot m^2}{C}\\ +\Phi_{E_5} &= ES_{face}\cos\theta_5 = 10^3\cdot10^{-2} \cos \frac{\pi}{2} = 0 \frac{N\cdot m^2}{C}\\ +\Phi_{E_6} &= ES_{face}\cos\theta_6 = 10^3\cdot10^{-2} \cos \frac{\pi}{2} = 0 \frac{N\cdot m^2}{C} \end{align*} En sommant on obtient, le flux total suivant : \begin{align*} -\Phi_E=\sum_{i=1}^{6} \Phi_{E_i}=\sum_{i=1}^{6} ES_{face}\cos{\theta_i}\\ -\Phi_E=10 + 0 - 10 + 0 + 0 + 0 = 0 \frac{N\cdot m^2}{C} +\Phi_E&=\sum_{i=1}^{6} \Phi_{E_i}=\sum_{i=1}^{6} ES_{face}\cos{\theta_i}\\ +\Phi_E&=10 + 0 - 10 + 0 + 0 + 0 = 0 \frac{N\cdot m^2}{C} \end{align*}