diff --git a/03_charge_electrique_champs_electrique.md b/03_charge_electrique_champs_electrique.md index 08228e506127b97260daac17a878d3ea98ba1ae4..9b646775a6922da5a4eff719da87b7f0cfe2d030 100644 --- a/03_charge_electrique_champs_electrique.md +++ b/03_charge_electrique_champs_electrique.md @@ -778,10 +778,101 @@ Si on numérote les $N$ facettes d'une surface **fermée**, $\{\Delta S_i\}_{i=1 et l'angle entre la normale de la $i$-ème facette avec le champs $E$, $\{\theta_i\}_{i=1}^N$ on peut écrire la **loi de Gauss** $$ -\sum_i^N E\Delta S_i\cos\theta_i=\frac{Q_\mathrm{int}}{\epsilon_0}. +\sum_i^N E\Delta S_i\cos\theta_i=\sum_i^N E_{i,\perp}\Delta S_i=\frac{Q_\mathrm{int}}{\epsilon_0}, $$ +où $E_{i,\perp}$ est la projection de $\vec E$ sur le vecteur perpendiculaire à +la surface $\Delta S_i$. +--- + +Exemple (Sphère chargée) # + +Une surface conductrice sphérique de rayon $R_0$ et possédant une +charge $Q$ distribuée uniformément sur sa surface. Déterminer le champs +électrique + +1. À l'extérieur de la surface. +2. À l'intérieur de la surface. + +--- + +--- + +Solution (Sphère chargée) # + +Considérations philosophiques: comme la charge est distribuée de façon +symétrique, le champs électrique doit également être symétrique. Ainsi +la seul façon pour qu'il soit symétrique est qu'il soit en tout point +perpendiculaire à la surface et ne dépendre que de $R$, la distance entre le centre de la sphère et le point de l'espace où on mesure le champs électrique. + +On va utiliser la loi de Gauss pour résoudre cet exercice. Pour ce faire nous allons +choisir deux surfaces différentes comme nous allons le voir ci-après. +1. On choisit une surface sphérique, $S_1$, avec $R>R_0$ et concentrique avec la sphère +de départ. Par symétrie, le champs a la même amplitude sur toute la surface $S_1$, +on a donc que $E_{i,\perp}=E$ pour n'importe quelle valeur de $i$. La loi de Gauss +s'écrit donc +$$ +\sum_i^N E_{i,\perp}\Delta S_i=E\sum_i^N \Delta S_i=E(\4 \pi R^2)=\frac{Q_\mathrm{int}}{\epsilon_0}, +$$ +où nous avons utilisé que $\sum_i \Delta S_i$ est la surface totale de la sphère de +rayon $R$. Il ne nous reste qu'à résoudre cette équation pour $E$, et il vient +$$ +E=\frac{1}{4 \pi epsilon_0}\frac{Q}{R^2}=k\frac{Q}{R^2}. +$$ +Ce qui est intéressant car c'est **exactement** le même résultat que pour une charge +ponctuelle, de charge $Q$, qui se trouverait au centre de la sphère. +2. De façon similaire, on peut construire une surface $S_2$ sphérique, concentrique avec +la sphère originale, avec $R < R_0$. On a donc +$$ +E\sum_i^N \Delta S_i=E(\4 \pi R^2)=\frac{Q_\mathrm{int}}{\epsilon_0}=0, +$$ +car $Q_\mathrm{int}=0$ dans ce cas (toute la charge est sur la surface chargée). +On a donc que le champs à l'intérieur de $S_2$ est nul, et donc le champs à l'intérieur d'une sphère chargée est nul. + +--- + +--- +Question (Et si on remplissait la sphère) # +Que se passerait-il si la sphère était pleine? + +--- + +--- + +Réponse (Et si on remplissait la sphère) # + +En fait ce résultat est valide pour n'importe quelle sphère pleine conductrice chargée. En effet, toutes les charges se repousseraient et se répartiraient uniformément sur sa surface. +On se retrouverait dans la même situation que pour la sphère vide. + +--- + +## Résumé + +On a vu plusieurs concepts importants dans ce chapitre. + +* La **charge électrique** peut être négative ou positive et qui est toujours **conservée**. +* Les matériaux **isolants** et **conducteurs** qui respectivement conduisent ou pas l'électricité. Contrairement au isolants, les conducteurs possèdent des **électrons libres** qui peuvent se déplacer à l'intérieur d'un solide. +* La charge électrique est **quantisée**: il existe une charge élémentaire, $e$, qui est la charge du proton, $+e$, ou celle de l'électron $-e$. +* Les charges électriques exercent des **forces** les unes sur les autres. Elles sont attractives pour des charges de types différents et répulsives pour les charges de même type. +* La **loi de Coulomb** donne la relation entre la **force électrostatique**, la charge, et la distance entre deux object (respectivement, $Q_1$, $Q_2$, et $r$): +$$ +F=k\frac{Q_1Q_2}{r^2}. +$$ +* Le **champs électrique** est une quantité existant dans l'espace autour des charges. Il peut être mesuré à l'aide d'une charge test $q$ +$$ +\vec E=\frac{\vec F}{q}. +$$ +* L'amplitude du champs électrique autour d'une charge est +$$ +E=k\frac{Q}{r^2}. +$$ +* Le champs électrique total autour de plusieurs charges est la somme de toutes les champs électriques. Cela est dû au **principe de superposition**. +* Le **flux** du champs électrique est donné par la quantité donnée par le produit entre la projection du champs électrique sur la normale de la surface, $E_\perp$, multipliée par la surface, $\Delta S$ +$$ +\Phi_E=E_\perp\cdot \Delta S. +$$ +* La **loi de Gauss** nous dit que le flux total au travers d'une **surface fermée** est proportionnel à la charge se trouvant à l'intérieur de la surface.