diff --git a/exercices/champs_electrique.md b/exercices/champs_electrique.md index b02a70ee01e9cbd6ed1184fcda4288a0f217fd6e..6374c08f789c5ffe5cd0687e9ebd9f6336c4ecd7 100644 --- a/exercices/champs_electrique.md +++ b/exercices/champs_electrique.md @@ -1,6 +1,7 @@ --- # author: # - Orestis Malaspinas +# - Michaël El Kharroubi (correction) title: Exercices électrostatique subtitle: Loi de Coulomb et champs électrique autoSectionLabels: true @@ -57,4 +58,178 @@ uniforme $E=10^3\mathrm{N}/\mathrm{C}$ avec une face perpendiculaire au champs 1. Que vaut le flux total à travers la surface du cube? 2. Que vaut le flux à travers chaque surface du cube? +# Correction {.unnumbered} +## 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 +\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 $n$ : + +\begin{align*} +n = \frac{Q}{e} +\end{align*} + +On sait que la masse perdue $m_{perdue}$ vaut : + +\begin{align*} +m_{perdue}=m_e\cdot n +\end{align*} + +Pour savoir le pourcentage de masse perdu, il suffit de faire : + +\begin{align*} +100\cdot(1-\frac{m-m_{perdue}}{m}) = 100\cdot(1-\frac{m-n\cdot m_e}{m}) = 100\cdot(1-\frac{m-\frac{m_e\cdot Q}{e}}{m}) +\end{align*} + +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}\% +\end{align*} + +Notre objet a donc perdu environ $5.62\cdot10^{-14}\%$ de sa masse. + +## Ex 2: {.unnumbered} + + +\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 +\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 +\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}}\\ +\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} +\end{align*} + +La valeur de notre champs électrique entre nos deux charges est donc environ de ${7.19\cdot10^{6}}\frac{N}{C}$. + +## Ex 3: {.unnumbered} + + +\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 +\end{align*} + + +Pour trouver la valeur de notre champs électrique, on doit déterminer la force subie par notre électron : + +\begin{align*} +F=m_e\cdot a +\end{align*} + +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} +\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} +\end{align*} + + +## Ex 4: {.unnumbered} + + +\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 +\end{align*} + + +On souhaite connaître le rapport entre $Q_1$ et $Q_2$, on commence donc par poser l'équation suivante : + +\begin{align*} +E = E_1 + E_2 = k\cdot \frac{Q_1}{\frac{r}{3}^2}+k\cdot \frac{Q_2}{(\frac{2}{3}\cdot r)^2}\\ +E=k\cdot(\frac{Q_1}{\frac{r}{3}^2}+\frac{Q_2}{(\frac{2}{3}\cdot r)^2}) +\end{align*} + +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} +\end{align*} + +Le rapport entre nos deux charges est donc $\frac{Q_1}{Q_2}=-\frac{1}{4}$. + +## Ex 5: {.unnumbered} + + +\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} +\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} +\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} +\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} +\end{align*}