Michel Fioc LU2PY021 2019/2020 Chapitre I hamp et potentiel electrostatiques C ´ a . Introduction historique 1. Ambre, aimants et boussoles L’existence de phénomènes d’électricité statique et de magnétisme est connue depuis des temps anciens. Au 6e siècle av. J.-C., le Grec Thalès de Milet aurait ainsi découvert que l’ambre («êlektron» en grec ancien) étaitcapabled’attirerdescorpslégers(électricitéstatique). Ilauraitégalementétudiélespropriétésd’aimants naturels, les pierres de Magnésie (une ville d’Asie Mineure, comme Milet). Les Chinois utilisent au premier millénaire des cuillères aimantées à des fins divinatoires. Celles-ci de- viendront vers l’an mille les premières boussoles. Le Français Pierre de Maricourt décrit au 13e siècle les propriétés fondamentales des aimants : • l’existence sur tout aimant de deux pôles, qualifiés de «nord» et «sud» car pointant en gros (à la déclinaisonmagnétiqueprès)verslespôlesgéographiquesnordetsuddelaTerresil’aimantestlibre de tourner horizontalement. Trois siècles plus tard, l’Anglais Gilbert comprendra que c’est parce que la Terre se comporte comme un aimant géant※1; • l’attraction entre pôles magnétiques contraires et la répulsion entre pôles identiques※2; • l’attraction entre le fer et un aimant, ainsi que la possibilité d’aimanter du fer avec un aimant; • le fait qu’un aimant brisé ne donne pas un morceau doté d’un pôle nord et un autre doté d’un pôle sud, mais deux aimants (moins puissants) possédant chacun les deux pôles. L’explication moderne est qu’un aimant n’est pas constitué de «monopôles magnétiques»※3 ana- loguesauxchargesélectriques,maisd’unemultitudede«dipôles»microscopiquesparallèles,chacun équivalent à une petite boucle de courant. 2. Expériences de du Fay Au18esiècle,leFrançaisduFay(ou«Dufay»)mèneplusieursexpériencesdetriboélectricité(électrisation par frottement) et constate les faits suivants : • un tube de verre frotté par un certain matériau attire une parcelle de feuille d’or; • après contact entre le verre et la feuille d’or, celle-ci est violemment repoussée; • on obtient les mêmes résultats en remplaçant le verre par de la résine d’ambre; • une feuille d’or ayant été mise en contact avec du verre frotté est attirée par de la résine frottée. (Les expériences réalisées en cours utilisent respectivement une boule de sureau suspendue à un fil et des baguettes de plexiglas et de PVC à la place de la feuille d’or, du verre et de l’ambre. Les baguettes sont frottées à l’aide d’une fourrure.) Ces expériences permettent à du Fay d’énoncer plusieurs propriétés : • il existe deux sortes d’«électricités»; • les corps portant des «électricités» semblables se repoussent; • ceux portant des «électricités» différentes s’attirent. Avant d’analyser ces expériences en termes modernes, rappelons quelques notions fondamentales : • lamatièreordinaireestconstituéed’atomescomprenantdesprotons,dechargepositive,desneutrons, sans charge, et des électrons, de charge négative. Les protons et les neutrons, de masses similaires, sontconcentrésdansdesnoyauxatomiques. Lesélectrons,bienmoinsmassifs,sontdansdescouches 1. Onsaitmaintenantquelechampmagnétiqueterrestreestproduitparlesmouvementsdechargesàl’intérieurduGlobe. 2. Lepôlenorddel’aiguilleaimantéed’uneboussoles’orientantverslepôlemagnétique«nord»delaTerre,cedernierestenréalité unpôlemagnétiquesud. 3. Ceux-cipourraientfacilementêtreinclusdansleséquationsdel’électromagnétisme,maisilsn’ontjamaisétéobservés. 8 Michel Fioc LU2PY021 2019/2020 entourant les noyaux. Ils sont en nombre égal aux protons dans les atomes neutres; • les électrons portent une charge −e, où e≈1,6·10−19C (I.1) est la charge élémentaire («C» est le symbole du coulomb); les protons portent une charge +e※4; • les charges de même signe se repoussent, celles de signes opposés s’attirent. Les expériences de du Fay peuvent alors être interprétées ainsi : • quand le verre est frotté par un matériau intermédiaire entre le verre et la résine dans la série tribo- électrique※5, ce matériau arrache au verre des électrons, de charge négative, et le verre acquiert une charge positive; • avantcontact,leverre,chargépositivement,attirelesélectronsdelafeuilled’or,alorsneutre,etrepousse les protons de celle-ci. Les premiers se rapprochent donc du verre et les derniers s’éloignent. Les électrons de la feuille d’or étant plus proches du verre que les protons, l’attraction l’emporte sur la répulsion; • aprèscontact,unepartiedesélectronsdelafeuilled’orsedéposentsurleverre. Leverreetlafeuille ontdonctousdeuxunechargepositive(carleverreétaitdechargepositiveetlafeuilled’orétaitneutre avant le contact) et se repoussent; • lesrésultatssontsimilairesavecdelarésine,sicen’estque,quandelleestfrottéeparlematériau,elle lui arrache des électrons et acquiert une charge négative. Elle transmet une partie de ces électrons à la feuille d’or lors du contact. 3. Conducteurs, isolants et piles OncomprendpeuaprèslesexpériencesdeduFay,notammentgrâceauxtravauxdel’AméricainFranklin sur la foudre, qu’il existe deux types de corps : • lesconducteurs,quipermettentlepassaged’uncourantélectriquecarilscontiennentuncertainnombre dechargeslibresdesemouvoir(lesélectronsdeconductiondanslesmétaux;desions,c’est-à-diredes atomes ou molécules ayant gagné ou perdu des électrons, dans les solutions électrolytiques ou gels utilisés dans les piles※6); • les isolants, dans lesquels les charges sont liées, c.-à-d. presque statiques※7 : elles ne peuvent guère s’écarter de leur position. Cettedistinctionestillustréparuneexpériencesimple:quandonapprocheunebaguettefrottéedel’extrémité d’unetigemétallique(conducteur),unebouledesureauauvoisinagedel’autreextrémitéestattiréeparcelle-ci. Ce n’est pas le cas si la tige est en plastique (isolant). Le premier générateur de tension continue (c.-à-d. constante) est la pile chimique inventée par l’Italien Volta en 1800. 4. Unification de l’électricité et du magnétisme Des expériences effectuées au début du 19e siècle par le Danois Ørsted, le Français Ampère et l’Anglais Faraday permettent de montrer que les phénomènes électriques et magnétiques sont reliés. En particulier, • un corps parcouru par un courant électrique se comporte comme un aimant (un aimant naturel est ainsi peuplé de courants à l’échelle microscopique); • un aimant mobile produit un courant dans un fil électrique. Ces découvertes sont à la base des alternateurs, dynamos et moteurs électriques. L’Écossais Maxwell énonce en 1865 les lois de l’électromagnétisme, qui unifient électricité et magnétisme dans une même théorie. Une des conséquences de ces lois est l’existence d’ondes électromagnétiques, qui seront détectées par l’Allemand Hertz et dont le calcul montre que leur vitesse est la même que celle de la lumière, vitesse mesurée antérieurement par les Français Fizeau et Foucault. Maxwell en déduit que la lumière est une onde électromagnétique, ce qui permet d’intégrer l’optique dans l’électromagnétisme. 4. Lesprotonssontenfaitconstituésdedeuxquarksu,decharge2e/3chacun,etd’unquarkd,decharge−e/3,tandisquelesneutrons possèdentunuetdeuxd. Lesquarksnesontcependantjamaisobservésisolément. 5. Voiren.wikipedia.org/wiki/Triboelectric_effect#Triboelectric_series. 6. Les ions positifs, ou cations, sont attirés par l’électrode négative, la cathode; les ions négatifs, ou anions, le sont par l’électrode positive,l’anode. 7. Lecaractèreisolantd’uncorpsn’ariend’absolu:l’air,habituellementisolant,peutainsidevenirconducteursilechampélectrique estsuffisantpourl’ioniser(casdelafoudre). 9 Michel Fioc LU2PY021 2019/2020 5. Révolution relativiste On pense initialement que les ondes électromagnétiques se déplacent dans un milieu, l’Éther, faisant of- fice de référentiel galiléen absolu. L’impossibilité de mesurer le moindre mouvement par rapport à l’Éther (expérience de Michelson & Morley) et la théorie de la relativité restreinte, énoncée par l’Allemand Einstein en 1905, conduisent à renoncer à ce concept. La théorie de la relativité repose sur deux principes : • tous les référentiels galiléens sont équivalents pour l’énoncé des lois de la physique; • ilexisteunevitessefondamentalefinie(etindépassable)—lavitessedelalumière—dontlavaleurest la même dans tous les référentiels galiléens. Le premier principe était déjà au fondement de la mécanique newtonienne. Le second, en revanche, est en contradictionaveclaloiclassiquedecompositiondesvitessesetimposequelesdistancesetlesduréesentre deuxévénementsperçuesparunobservateurdépendentdesonmouvement. Silesloisdel’électromagnétisme conserventenrelativitérestreintelaformulationdonnéeparMaxwell,lesloisdelamécaniqueclassiquedoivent en revanche être modifiées pour être conciliées avec l’invariance de la vitesse de la lumière par changement de référentiel galiléen (pour la gravitation, il faudra cependant attendre la relativité générale, proposée par Einstein en 1915). b . Loi de Coulomb 1. Énoncé et propriétés La force exercée par une particule※8 située en P, de charge Q et immobile par rapport à un référentiel galiléen,suruneparticulesituéeenM,dechargeqetégalementimmobile,estdonnéeparlaloiénoncéepar le Français Coulomb en 1785 : F(cid:126)Q→q = 4πqεQr2 u(cid:126)r, (I.2) 0 −−→ où r = PM ((cid:66) (cid:107)PM(cid:107)), u(cid:126) est un vecteur unitaire dirigé de P vers M, les charges sont en coulombs※9, ε est r 0 une constante appelée permittivité du vide et 1 ≈ 9·109SI. (I.3) 4πε 0 La force de Coulomb (dite aussi électrostatique) peut être réécrite sous la forme −−→ F(cid:126)Q→q = 4qπQε0 PPMM3 , (I.4) −−→ puisque u(cid:126)r = PM/PM−−→. Elle respecte la 3e loi de Newton : F(cid:126)q→Q = −F(cid:126)Q→q (version faible) et F(cid:126) est en outre centrale, c.-à-d. F(cid:126) ∥PM (version forte). 2. Neutralité électrique et forces de contact La force électrostatique est en 1/r2, comme la force de gravitation universelle. Contrairement à cette dernière, qui est toujours attractive, la force de Coulomb est attractive si les charges sont de signes opposés et répulsive sinon, conformément à la loi de du Fay. Comparons l’intensité de ces deux forces entre un électron (de masse m ) et un proton (de masse m ) : e p (cid:107)F(cid:126) (cid:107) |+e||−e| (1,6·10−19)2×9·109 élec = = ≈2·1039. (I.5) (cid:107)F(cid:126)grav(cid:107) 4πε0×Gmpme 6,67·10−11×1,67·10−27×9,11·10−31 L’intensitédelaforcegravitationnelleestdoncinfimeparrapportàcelledelaforceélectrostatique. Silaforce électrostatiquen’intervientgénéralementpasexplicitementdanslesproblèmesdemécanique,contrairement aupoids,c’estquelenombred’électronsestégalaunombredeprotons:lorsqu’unexcèsd’électronssurvient 8. Ausensde«pointmatériel». Rigoureusement,ilfaudraitdistinguertroischoses:laparticule,lavaleurdesachargeetsaposition. Biensouvent,onutilisera lemot«charge»nonseulementpourlavaleurdecelle-ci,maisaussipourlaparticulequilaporte(delamêmemanièrequepourle mot«masse»enmécanique),etonutiliseralamêmenotationpourlesdeux. Ondistinguerala«densitédecharge»(ausingulier), c.-à-d.lavaleurdelachargeparunitédevolume(parexemple),dela«densitédecharges»(aupluriel),c.-à-d.lenombredeporteurs dechargeparunitédevolume. Demême,ilnousarriverad’appeler«point»àlafoislaparticule(pointmatériel)etsaposition(pointgéométrique),etd’utiliser lamêmenotationpourlesdeux. Cecinedevraitsusciteraucuneconfusion. Enrevanche,ilestfortementdéconseillédenoterde lamêmemanièrelavaleurdelachargeetsaposition. 9. Nousutiliseronssystématiquementlesunitésdusystèmeinternational(SI). D’autressystèmessontparfoisutilisés,maisleslois prennentalorsuneformedifférente. 10 Michel Fioc LU2PY021 2019/2020 enunendroit,ceux-ciserepoussententreeuxetsontattirésparlesprotons;laneutralitéélectriqueestdonc rapidementrétablieàl’échellemacroscopique. Orlaforceexercéepardelamatièreneutredécroîtbienplus rapidement qu’en 1/r2, comme nous le verrons en étudiant les dipôles (cf. chap. III). Lamatièren’estpasneutreenrevancheàl’échellemicroscopique(parexempleauvoisinagedunoyaud’un atome). La force électromagnétique est d’ailleurs l’interaction fondamentale à l’origine de toutes les forces decontact(réactionnormale,adhérence,frottements,cohésiond’unsolide,pression,tensionsuperficielle...), même si leur expression phénoménologique ne le laisse pas apparaître. En outre, même quand la matière est neutre et n’a pas d’effet électrostatique à grande distance, elle peut être parcourue par des courants de charges, lesquels créent un champ magnétique. 3. Cas de charges mobiles (hors programme) L’expression (I.4) n’est plus rigoureusement valable si les charges sont mobiles car l’interaction n’est pas instantanée. LaforceexercéeparunechargeQsurunechargeqsituéeàuninstanttenunpointM(t)devient alors F(cid:126)Q→q = 4qπQε0 ((cid:126)r·rw(cid:126))3 (cid:18)Z(cid:126) + (cid:126)vc ×[u(cid:126)r×Z(cid:126)](cid:19), (I.6) où • Z(cid:126) =X(cid:126) +Y(cid:126), avec X(cid:126) =(c2−v(cid:48)2)w(cid:126) et Y(cid:126) =(cid:126)r×(w(cid:126) ×(cid:126)a(cid:48)); • cestlavitessedepropagationdel’interactionélectromagnétique(c.-à-d.lavitessedelalumière)dans le vide; −−−−−−−→ • t(cid:48) est le temps retardé, c.-à-d. l’unique t(cid:48) (cid:54)t tel que (cid:107)P(t(cid:48))M(t)(cid:107)=c(t−t(cid:48)), où P(t(cid:48)) est la position de Q (cid:48) à l’instant t ; −−−−−−−→ • (cid:126)r=P(t(cid:48))M(t), r=(cid:107)(cid:126)r(cid:107) et u(cid:126) =(cid:126)r/r; r • (cid:126)v est la vitesse de q à l’instant t; • (cid:126)v(cid:48) et(cid:126)a(cid:48) sont les vitesse et accélération de Q à l’instant t(cid:48); • v(cid:48) =(cid:107)(cid:126)v(cid:48)(cid:107) et w(cid:126) =cu(cid:126) −(cid:126)v(cid:48). r Quelques remarques sur l’expression (I.6) : • cette formule n’est absolument pas à connaître!; • l’interactionélectromagnétiquesedéplaceàlavitessedelalumière. Cettevitesseétantfinie(etindé- pendanteduréférentieldèslorsquecelui-ciestgaliléen),laforcesubieparqàuninstanttdépenddela positiondeQàuninstantt(cid:48)antérieur:c(t−t(cid:48))estsimplementletempsdepropagationdel’interaction (cid:48) de P(t ) à M(t); • Les particules jouent des rôles asymétriques via leurs positions, vitesses et accélérations. En consé- quence, la 3e loi de Newton n’est généralement pas valable en électromagnétisme. La quantité de mouvement (linear momentum ou simplement momentum en anglais) d’un système isolé est néan- moinsconservéesil’ontientcompte,outredecelledesparticules,delaquantitédemouvementassociée au champ électromagnétique; • laforcesurqdépendnonseulementdespositionsetdesvitessesdescharges,maisaussidel’accélération de Q. Elle comprend deux termes : • le premier, en 1/r2, généralise la loi de Coulomb et correspond au terme X(cid:126); • le second, en 1/r, correspondant à Y(cid:126). Il est appelé «terme radiatif» car c’est lui qui explique le rayonnement électromagnétique. Noter qu’il domine le premier à grande distance, mais qu’il n’apparaît que si l’accélération de Q est non nulle; • l’expression (I.6) est valable quelle que soit la vitesse, mais F(cid:126) (cid:44)m(cid:126)a si v/c(cid:51)1 (cf. § I.a.5). c . Champ électrostatique L’équation (I.4) peut être réécrite F(cid:126)Q→q =qE(cid:126)Q(M), (I.7) où −−→ E(cid:126) (M) = Q PM (I.8) Q 4πε0 PM3 est le champ électrique créé en M par la charge Q située en P. Dans le système international d’unités, cette quantité est exprimée en V·m−1 (=N·C−1), où «V» est le symbole du volt. L’expression (I.8) n’est valable que si Q est immobile. Considérons maintenant un ensemble de charges Q , ..., Q situées aux points P , ..., P . Si la charge q 1 n 1 n 11 Michel Fioc LU2PY021 2019/2020 est immobile, la résultante F(cid:126)→q =(cid:80)iF(cid:126)Qi→q des forces exercées par les charges Qi sur q vaut F(cid:126)→q = qE(cid:126)(M), (I.9) où (cid:88) E(cid:126)(M) = E(cid:126) (M) (I.10) i i −−−→ (cid:88) Q PM = i i (I.11) 4πε PM3 0 i i est le champ électrique créé en M par toutes les charges sauf q, et E(cid:126)(M)(cid:66)E(cid:126) (M). i Qi L’expression (I.9) distingue la charge q placée en M, dite parfois charge test, des charges Q, sources du i (cid:126) champ E(M) auquel q est soumise. L’intérêt de cette distinction, outre de faciliter les calculs, est que les champs ont une réalité intrinsèque : on peut ainsi leur associer une quantité de mouvement, une énergie; par ailleurs, le délai entre le changement de trajectoire d’une source et l’effet sur la force ressentie par la charge test correspond au temps de propagation du champ de l’une à l’autre. On peut également étudier la propagation des ondes électromagnétiques, c.-à-d. des champs, indépendamment des sources qui les ont (cid:126) produits. Remarquer que E(M) ne dépend pas de la présence ou non en M de la charge q. L’équation(I.11)n’estvalablequedanslecadredel’électrostatique,c.-à-d.silessourcesQ sontimmobiles. i Poursoulignerceci,onutiliserasouventletermechampélectrostatique plutôtque«champélectrique»dans ce cas. Leséquations(I.9)et(I.10)sontenrevanchevalablesquelquesoitlemouvementdeschargesQ ※10. L’équa- i tion(I.10)traduitle“principe”desuperposition :lechampélectriqueproduitparunecombinaisonlinéaire de distributions de charges et de courants de charges est la combinaison linéaire des champs électriques produits par chacune de ces distributions. (De même, nous le verrons, pour le champ magnétique.) Ce “principe”estenfaitunthéorèmedécoulantdelalinéaritédesrelationsfondamentalesdel’électromagnétisme entre les champs et leurs sources. d . Potentiel électrostatique 1. Préliminaires ff a. Di érentielle du carré d’une fonction vectorielle Pour toute fonction vectorielle (cid:126)f, on a d(cid:16)(cid:126)f · (cid:126)f(cid:17)=2(cid:126)f ·d(cid:126)f. Or (cid:126)f · (cid:126)f =(cid:107)(cid:126)f(cid:107)2 et d(cid:16)(cid:107)(cid:126)f(cid:107)2(cid:17)=2(cid:107)(cid:126)f(cid:107)d(cid:16)(cid:107)(cid:126)f(cid:107)(cid:17), donc (cid:126)f ·d(cid:126)f =(cid:107)(cid:126)f(cid:107)d(cid:16)(cid:107)(cid:126)f(cid:107)(cid:17). (I.12) En particulier, pour une fonction de norme constante, d(cid:16)(cid:107)(cid:126)f(cid:107)(cid:17)=0, donc (cid:126)f ⊥d(cid:126)f. b. Circulation d’une fonction vectorielle OnappellecirculationCd’unefonction(cid:126)f((cid:126)r)suruncheminA(cid:102)Bl’intégrale(cid:82) (cid:126)f((cid:126)r)·d(cid:126)r. Précisonslasignifica- A(cid:102)B tion de cette dernière. Symboliquement, en coordonnées cartésiennes, (cid:90) (cid:90) (cid:126)f ·d(cid:126)r= (cid:16)f [x,y,z]dx+ f [x,y,z]dy+ f [x,y,z]dz(cid:17), (I.13) x y z A(cid:102)B A(cid:102)B maiscetteexpressionn’aguèredesenscaronnesaitparrapportàquellevariablel’intégrationesteffectuée. Plus explicitement, (cid:90) (cid:126)f ·d(cid:126)r(cid:66)(cid:90) uB (cid:18)f (cid:104)x(u),y(u),z(u)(cid:105) dx + f (cid:104)x(u),y(u),z(u)(cid:105) dy x y A(cid:102)B u=uA du du (cid:104) (cid:105) dz (cid:19) + f x(u),y(u),z(u) du, (I.14) z du oùuestn’importequellequantité(l’abscissecurviligne,letemps...)paramétrantlecheminA(cid:102)B,c.-à-d.variant (cid:126) continûment de u à u et de manière strictement monotone le long de ce chemin. La circulation de f sur A B le chemin A(cid:102)B est indépendante du paramétrage adopté. 10. Uniquementsiqestimmobilepourl’équation(I.9). Sinon,uneforcemagnétiqueapparaît. 12 Michel Fioc LU2PY021 2019/2020 2. Gradient d’une fonction scalaire de la position Soit f unefonctionnedépendantquedelaposition. Encoordonnéescartésiennes,lavariationde f entre deux points séparés de d(cid:126)r=dxu(cid:126) +dyu(cid:126) +dzu(cid:126) vaut x y z ∂f ∂f ∂f −−−→ df = dx+ dy+ dz = grad f ·d(cid:126)r, (I.15) ∂x ∂y ∂z où −−−→ ∂f ∂f ∂f grad f (cid:66) u(cid:126) + u(cid:126) + u(cid:126) (I.16) ∂x x ∂y y ∂z z est l’opérateur gradient. Le gradient de f est souvent aussi noté ∇(cid:126)f, où ∇(cid:126) est le «vecteur»※11 nabla défini par ∂ ∂ ∂ ∇(cid:126) = u(cid:126) +u(cid:126) +u(cid:126) . (I.17) x ∂x y ∂y z ∂z En coordonnées cylindriques, d(cid:126)r = dρu(cid:126)ρ +ρdφu(cid:126)φ +dzu(cid:126)z, (I.18) donc, puisque ∂f ∂f ∂f df = dρ+ dφ+ dz, (I.19) ∂ρ ∂φ ∂z on obtient, par identification des facteurs devant dρ, dφ et dz dans les expressions de df et de ∇(cid:126)f ·d(cid:126)r, que ∇(cid:126) = u(cid:126)ρ ∂∂ρ + u(cid:126)ρφ ∂∂φ +u(cid:126)z ∂∂z . (I.20) De même, en coordonnées sphériques, d(cid:126)r = dru(cid:126)r +rdθu(cid:126)θ +rsinθdφu(cid:126)φ, (I.21) donc ∇(cid:126) = u(cid:126) ∂ + u(cid:126)θ ∂ + u(cid:126)φ ∂ . (I.22) r ∂r r ∂θ rsinθ ∂φ 3. Définition du potentiel Le champ créé en un point M par une charge Q fixe située en P vaut E(cid:126) (M)= Q u(cid:126)r . (I.23) Q 4πε r2 0 Considérons un déplacement élémentaire d(cid:126)r de M※12 et calculons la circulation élémentaire de E(cid:126) , d¯C = Q E(cid:126) ·d(cid:126)r※13. On a Q d(cid:126)r=d(ru(cid:126) )=dru(cid:126) +rdu(cid:126) , (I.24) r r r donc (cid:18) (cid:19) E(cid:126) ·d(cid:126)r= Q (dru(cid:126) ·u(cid:126) +ru(cid:126) ·du(cid:126) )= Q dr =− Q d 1 , (I.25) Q 4πε r2 r r r r 4πε r2 4πε r 0 0 0 oùl’onadéduitqueu(cid:126) ·du(cid:126) =0delaconstancedelanormedeu(cid:126) (vecteurunitaire)enappliquantlerésultat r r r du § I.d.1.a. Il existe donc une fonction, Q V (M) = +cte, (I.26) Q 4πε r 0 telle que dV =−E(cid:126) ·d(cid:126)r. (I.27) Q Q LaquantitéV (M)estappeléepotentielélectrostatique crééparlachargeQenM. Sonunitédanslesystème Q international est le volt (symbole «V»). 11. Attention,∇(cid:126) n’estpasunvraivecteur:parexemple,(∇(cid:126)·(cid:126)f)g(cid:44)((cid:126)f·∇(cid:126))g. 12. Ils’agitd’undéplacementdupointgéométrique M,pasdelachargeponctuellequipeutéventuellements’ytrouver. 13. Nousutilisonslanotation«d¯C»,avecun«d»barré,poursoulignerquelacirculationélémentaireestunequantitéinfinitésimale,mais qu’onnesaitpasapriorisielleestégaleàladifférentielledfd’unecertainefonctionf(ici,«−V»),c.-à-d.àunevariationinfinitésimale de f. Lamêmedistinctionseraparfoisfaitepourd’autresquantitésparlasuite,notammentlorsqu’ilyauraunrisquedeconfusion. Lanotation«δ»aulieude«d¯»estégalementcourante. 13 Michel Fioc LU2PY021 2019/2020 Pour un ensemble de charges Q , ..., Q , on a 1 n E(cid:126)(M)·d(cid:126)r=(cid:18)(cid:88)E(cid:126)[M](cid:19)·d(cid:126)r=(cid:88)(cid:16)E(cid:126)[M]·d(cid:126)r(cid:17)=−(cid:88)dV(M)=−d(cid:18)(cid:88)V[M](cid:19). (I.28) i i i i i i i i Donc,pourtoutchampélectrostatique,ilexisteunequantitéV,lepotentielélectrostatique,telleque,lorsd’un déplacement infinitésimal, dV = −E(cid:126) ·d(cid:126)r, (I.29) avec (cid:88) V(M) = V(M) (I.30) i i (cid:88) Q = i +cte. (I.31) 4πε PM 0 i i NoterquelepotentielV(M)crééenMparl’ensembledescharges(sauflachargeponctuelleéventuellement présente en M!) obéit au principe de superposition. Le potentiel électrostatique n’est fonction que d’une seule variable, la position de M※14. Vestdéfiniàuneconstanteprès,quel’onpeutchoisirarbitrairement. Onadoptegénéralementlaconven- tion que V est nul à l’infini. On a alors cte = 0 dans (I.31). Cette convention peut être inadaptée lorsque la distribution de charges n’est pas bornée (c.-à-d. s’il y a des charges jusqu’à l’infini), par exemple pour un plan infini uniformément chargé. 4. Propriétés du potentiel électrostatique Plusieurs propriétés découlent de l’existence d’un potentiel V((cid:126)r) tel que dV =−E(cid:126)·d(cid:126)r. • LacirculationdeE(cid:126) suruncheminA(cid:102)B,c.-à-d.l’intégraledechemin(cid:82) E(cid:126)·d(cid:126)r,nedépendpasduchemin suivi mais seulement des points de départ et d’arrivée A et B. EnAe(cid:102)Bffet, (cid:90) (cid:90) E(cid:126) ·d(cid:126)r= −dV = V(A)−V(B). (I.32) A(cid:102)B A(cid:102)B En corollaire, la circulation de E(cid:126) sur un chemin fermé (A=B) est nulle : (cid:73) E(cid:126) ·d(cid:126)r = 0. (I.33) −−−→ • V nedépendantquedelaposition,onadV =gradV·d(cid:126)rlorsd’undéplacementinfinitésimald(cid:126)r. Par ailleurs,dV =−E(cid:126)·d(cid:126)renélectrostatique. Lesdeuxégalitésétantvérifiéesquelquesoitd(cid:126)r,onendéduit que −−−→ E(cid:126) = −gradV. (I.34) (cid:126) Le potentiel étant un scalaire, alors que E est un vecteur, il est souvent plus commode de calculer (cid:126) (cid:126) V et d’en déduire E par l’équation (I.34) que de calculer directement E. • Lepotentielestunefonctioncontinue,saufauxpointsoùlechamptendversl’infini. Cecidécoule directement de dV =−E(cid:126)·d(cid:126)r : quand d(cid:126)r tend vers 0, dV tend vers 0 si E(cid:126) est fini dans le voisinage. Nousverronsenrevancheau§II.equelechampélectriqueestdiscontinuauvoisinaged’unesurface chargée (et, a fortiori, d’une courbe chargée ou d’une charge ponctuelle). e . Équipotentielles et lignes de champ 1. Équipotentielles L’ensembledespointsdel’espacedontlepotentielV(x,y,z)estégalàunecertainevaleurconstanteC constitue l’équipotentielle de potentiel C (une surface, sauf cas dégénéré). Considérons une surface équipotentielle passant par un point M, ainsi qu’un déplacement infinitésimal (cid:126) (cid:126) quelconque(dr) ,depuisM,auseindecettesurface. Levecteur(dr) estalorsdansleplantangentenMàla 1 1 surface. OrdV =−E(cid:126)·d(cid:126)retlavariation(dV) dupotentiellorsdudéplacement(d(cid:126)r) estnullepardéfinition:E(cid:126) 1 1 (cid:126) (cid:126) estdoncperpendiculaireà(dr) . Ceciétantvraiquelquesoitladirectiondudéplacementinfinitésimal(dr) 1 1 14. Plus loin dans ce cours (chap. VIII), V désignera le potentiel scalaire et pourra dépendre aussi du temps. Si les sources sont immobiles,onpeutnéanmoinséliminerladépendancetemporelledanslepotentielscalaire;celui-ciseréduitalorsaupotentiel électrostatique. Sicen’estpaslecas,lesexpressions(I.29),(I.26),(I.32),(I.33)et(I.34)nesontplusvalables. 14 Michel Fioc LU2PY021 2019/2020 (cid:126) dans le plan tangent, on en déduit que, en tout point, le champ E est perpendiculaire à l’équipotentielle locale. (cid:126) Considéronsmaintenantundéplacementinfinitésimal(dr) perpendiculaireàl’équipotentielledepoten- 2 tiel V et dirigé vers celle de potentiel V+(dV) , avec (dV) >0. Comme on vient de le montrer, le champ E(cid:126) 2 2 est parallèle à (d(cid:126)r) , et E(cid:126) ·(d(cid:126)r) = −(dV) < 0. On en déduit que le champ électrique est dirigé vers les 2 2 2 potentiels décroissants. 2. Lignes et tubes de champ On appelle ligne de champ le lieu des points de l’espace tels que le champ électrique est tangent à la lignedechampentoutpointdecelle-ci. Saufcasdégénéré,unelignedechampestunecourbedel’espace. (cid:126) (cid:126) Les lignes de champ sont orientées conventionnellement dans le sens de E. Comme E est orthogonal en tout point à l’équipotentielle en ce point, les lignes de champ sont perpendiculaires aux équipotentielles. Un tube de champ est un faisceau de lignes de champ traversant une surface. (cid:126) Considérons, à partir d’un point M quelconque, un déplacement élémentaire dr le long de la ligne de champ passant par M. On a alors E(cid:126)(M)∥d(cid:126)r, ce qu’on peut aussi écrire E(cid:126)(M)×d(cid:126)r=(cid:126)0, (I.35) ce qui fournit l’équation différentielle vectorielle (ou, de manière équivalente, trois équations différentielles scalaires couplées) définissant la ligne de champ. En coordonnées cartésiennes, par exemple,  EEEyz(((xxx,,,yyy,,,zzz)))dddyzx−−−EEEzx(((xxx,,,yyy,,,zzz)))dddyxz===000,,. (I.36) x y Larésolutiondeceséquationsdifférentiellesfaitapparaîtretroisconstantesindéterminées. Lavaleurdeces constantes est fixée par le choix d’un point quelconque sur la ligne de champ considérée. 3. Cas d’une charge ponctuelle Danslecasd’unechargeponctuelle,leslignesdechampsontradiales(cesontdesdemi-droitesissuesde la charge). Elles divergent de la charge si celle-ci est positive et convergent vers celle-ci si elle est négative. Les équipotentielles sont des sphères (c.-à-d. des surfaces sphériques, par opposition aux boules, lesquelles sontpleines). Lepotentieldécroîtversl’extérieursilachargeestpositiveetcroîtsielleestnégative. Ilvaut +∞ à l’emplacement d’une charge ponctuelle dans le premier cas et −∞ dans le second. f . Distributions continues de charges (cid:126) 1. Expressions de E et V Les expressions (I.11) et (I.31) sont données pour une distribution discrète de charges, c.-à-d. pour des charges ponctuelles. Pour des distributions continues de charges dans un volume V de l’espace, sur une surface S ou le long d’une courbe C, il suffit de faire les substitutions suivantes : Distr. discrète Distr. volumique Distr. surfacique Distr. linéique P P ∈ V P ∈ S P ∈ C i Q (cid:37)(P)d¯τ σ(P)d¯S λ(P)d¯(cid:96) i (cid:35) (cid:33) (cid:80) (cid:82) i P∈V P∈S P∈C Les quantités (cid:37)(P), σ(P) et λ(P) sont, respectivement, les densités (finies) volumique, surfacique et li- néique※15 de charge au point P, pour la distribution; d¯τ, d¯S et d¯(cid:96) sont les éléments de volume, de surface ou de longueur※16 autour de P. Le champ créé en M par une distribution volumique de charges occupant un volume V est ainsi donné 15. Onditaussiplussimplement«chargevolumique,surfacique,linéique». 16. Onutiliselesmêmeappellationsetnotationspourl’objetgéométriqueconsidéréetpourlamesuredesonextension. Ainsi,selon lecontexte,«élémentdesurface»désignesoitunensembledepointssuruneportioninfinitésimaledeS,soitsonaire. 15 Michel Fioc LU2PY021 2019/2020 par※17 (cid:36) −−→ E(cid:126)(M) = 1 (cid:37)(P)PM d¯τ. (I.37) 4πε0 P∈V PM3 De même※18, (cid:36) 1 (cid:37)(P) V(M) = d¯τ (I.38) 4πε0 P∈V PM (avec la convention V(∞)=0). Il est généralement plus simple, si l’on n’applique pas le théorème de Gauss (cf. chap. II), de calculer le potentiel et d’en déduire le champ que de faire l’inverse : il y a moins d’intégrales à calculer, puisque V est scalaire alors que E(cid:126) est vectoriel; par ailleurs, pour obtenir E(cid:126), il suffit de calculer le gradient de V, c.-à-d. de le dériver, tandis que l’inverse requiert une intégration sur un chemin. Pourunmélangededistributionsdeplusieurstypes(discrète,surfacique,etc.),ilfautcalculerlepotentiel ou le champ créé par chacune et appliquer le principe de superposition. 2. Application : sphère et boule uniformément chargées a. Préliminaire : intégrale multiple d’une fonction à variables séparables sur un pavé droit Une fonction f: (x,y)(cid:55)→ f(x,y) est dite à variables séparables, si, pour tout point (x,y) dans le domaine considéré,ona f(x,y)= g(x)h(y),où gethsontdesfonctionsnedépendant,respectivement,quedexetque de y. Si f estàvariablesséparablesetque,dansl’intégraleci-dessous,lesbornescetdsurysontindépendantes de x, alors (cid:90) b (cid:90) d (cid:32)(cid:90) b (cid:33)(cid:90) d f(x,y)dxdy= g[x]dx h(y)dy. (I.39) x=a y=c x=a y=c Ceci se généralise bien évidemment à un nombre quelconque de dimensions. b. Sphère uniformément chargée Considérons une sphère [creuse] S (c.-à-d. une surface sphérique) de centre O et de rayon R portant une charge Q uniformément répartie. Le potentiel créé en un point M à une distance r de O vaut (cid:34) σ VS(M)= P∈S 4πε0PM d¯S(P), (I.40) oùσ=Q/(4πR2)estlachargesurfacique(uniforme)surlasphèreetd¯Sestunélémentdesurfacedecelle-ci, centré en P. Pour simplifier les calculs, prenons un axe (Oz) orienté vers M et utilisons les coordonnées sphériques (R,θ,φ) de P. On a d¯S=R2sinθdθdφ et −−→ −−→ −−→ −−→ PM2 =(PO+OM)2 =PO2+OM2+2PO·OM=R2+r2−2Rrcosθ, (I.41) −−→ −−→ car θ=∠(OM,OP), donc, en appliquant le résultat (I.39), (cid:90) π (cid:90) 2π σ VS(M)= √ R2sinθdθdφ θ=0 φ=0 4πε0 R2+r2−2Rrcosθ (cid:32)(cid:90) 2π σR2 (cid:33)(cid:90) π sinθ = dφ √ dθ φ=0 4πε0 θ=0 R2+r2−2Rrcosθ σR2 (cid:90) π sinθ = √ dθ. (I.42) 2ε0 θ=0 R2+r2−2Rrcosθ Faisons le changement de variable θ(cid:55)→u=R2+r2−2Rrcosθ. On a du =2Rrsinθ, (I.43) dθ 17. Onpeutintégrer,demanièreéquivalente,surtouslespointsPdel’espace,puisque(cid:37)(P)=0horsduvolumeoccupéparladistribution decharges. 18. Lamêmenotationestsouventutilisée,maisilestimportantdebiendistinguerlavariationinfinitésimaledupotentielentredeux points voisins, dV, de la contribution infinitésimale au potentiel en M due à la charge dans le volume d¯τ entourant P, d¯V = (cid:37)(P)d¯τ/(4πε0PM). 16 Michel Fioc LU2PY021 2019/2020 u(θ=0)=(R−r)2 et u(θ=π)=(R+r)2, d’où VS(M)= 2σεR0r (cid:90)u=(R(R+−r)r2)2 2d√uu = 2σεR0r (cid:104)√u(cid:105)(uR=+(Rr)−2r)2 = 2σεR0r (cid:16)R+r−|R−r|(cid:17). (I.44) Il faut distinguer deux cas : • si M est à l’intérieur de la sphère, r(cid:54)R, donc |R−r|=R−r et σR Q VS(M)= ε = 4πε R (cid:67)VSint(r); (I.45) 0 0 • si M est à l’extérieur de la sphère, r(cid:62)R, donc |R−r|=r−R et σR2 Q VS(M)= ε r = 4πε r (cid:66)VSext(r). (I.46) 0 0 Remarquer que VS est continu en r=R : VS(R−)=VSint(R)=VSext(R)=VS(R+). (I.47) Calculons maintenant le champ électrostatique : • pour r<R, on a Vint =cte, donc S −−−→ E(cid:126)int(M)=−gradVint =(cid:126)0; (I.48) S S • pour r>R, en fonction des coordonnées sphériques (r,ϑ,ϕ) de M, E(cid:126)eSxt(M)=− ∂V∂rSext u(cid:126)r− 1r ∂V∂ϑSext u(cid:126)ϑ− rsi1nϑ ∂∂VϕSext u(cid:126)ϕ = 4πQε r2 u(cid:126)r. (I.49) 0 Remarquer que E(cid:126)S est discontinu et non défini en r=R : E(cid:126)S(R+)=E(cid:126)eSxt(R)=Q/(4πε0R2)u(cid:126)r (cid:44)E(cid:126)S(R−)=E(cid:126)Sint(R)=(cid:126)0. (I.50) c. Boule uniformément chargée Considérons une boule [pleine] B (c.-à-d. un volume sphérique) de centre O et de rayon R portant une charge Q uniformément répartie. Le potentiel créé en un point M à une distance r de O vaut (cid:36) (cid:37) VB(M)= P∈B 4πε0PM d¯τ(P), (I.51) où (cid:37) = 3Q/(4πR3) est la charge volumique (uniforme) dans la boule et d¯τ est un élément de volume de celle-ci, centré en P. On a, en notant (R(cid:48),θ,φ) les coordonnées sphériques de P, (cid:90) R (cid:32)(cid:90) π (cid:90) 2π (cid:37)dR(cid:48) (cid:33) (cid:90) R VB(M)= R(cid:48)=0 θ=0 φ=0 4πε0PM R(cid:48)2sinθdθdφ = R(cid:48)=0d¯VS(cid:48)(M), (I.52) oùd¯VS(cid:48)(M)estlepotentielcrééenMparunecoquillesphériqueS(cid:48) derayonR(cid:48) etd’épaisseurinfinitésimale (cid:48) (cid:48) dR . Lepotentielcrééparcettecoquilleestégalàceluid’unesphèrederayonR portantlachargesurfacique σ=(cid:37)dR(cid:48), déjà connu (équations (I.45) et (I.46)). Si M est à l’extérieur de la boule, M est à l’extérieur de toutes les coquilles sphériques, donc (cid:90) R (cid:37)R(cid:48)2 (cid:37)R3 Q Vext(M)= dR(cid:48) = = . (I.53) B R(cid:48)=0 ε0r 3ε0r 4πε0r L’expression de Vext étant la même que celle obtenue à l’extérieur d’une sphère uniformément chargée en B surface (Vext), on a encore, pour r>R, S E(cid:126)ext(M)= Q u(cid:126) . (I.54) B 4πε r2 r 0 En revanche, si M est à l’intérieur de la boule, M est à l’extérieur de toutes les coquilles de rayon R(cid:48) (cid:54)r et à l’intérieur de celles de rayon R(cid:48) (cid:62)r, donc (cid:90) r (cid:37)R(cid:48)2 (cid:90) R (cid:37)R(cid:48) (cid:37)r2 (cid:37) (cid:37)r2 (cid:37)R2 Vint(M)= dR(cid:48)+ dR(cid:48) = + (R2−r2)=− + . (I.55) B R(cid:48)=0 ε0r R(cid:48)=r ε0 3ε0 2ε0 6ε0 2ε0 17