La charge Q est fixée au centre O de notre système d'étude. Elle est considérée comme immobile, et est la « charge source ». L'autre charge q est notre « charge témoin » et est placée en un point M quelconque de l'espace. Le lien entre la force électrostatique subie par la charge témoin q au point M et le champ électrostatique ressenti en ce lieu, noté, est donné par la relation: ou De part les unités employées, un champ électrostatique est en Newton par Coulomb, noté N/C. Cependant, il est courant de l'exprimer en Volt par mètre, noté V/m. D'ailleurs, les deux unités sont équivalentes:. En explicitant la force avec la loi de Coulomb, le champ électrostatique créé par la charge ponctuelle Q est donné par: Où et est un vecteur unitaire, partant de O et dirigé vers le point M. Le champ électrostatique ne dépend pas de la charge témoin q, c'est-à-dire celle qui subie le champ créé par la charge source. Si, Remarque: Dans la littérature, il est souvent parlé de champ électrique. Quelle est la différence?
Ainsi, est initialement uniforme. Introduisons une charge ponctuelle à l'origine du repère. À cette charge est associée une densité de charge, où est la distribution de Dirac. Une fois le système à l'équilibre, appelons et les changements dans la densité de charge électronique et dans le potentiel électrique. Or la charge électrique et la densité de charge sont reliés par la première équation de Maxwell:. Pour pouvoir continuer ce calcul, nous devons trouver une deuxième équation indépendante qui relie et. Il existe deux approximations pour lesquelles ces deux grandeurs sont proportionnelles: l'approximation de Debye-Hückel, valable à haute température, et l'approximation de Fermi-Thomas, qui s'applique à basse température. Approximation de Debye-Hückel [ modifier | modifier le code] Dans l'approximation de Debye-Hückel, le système est supposé maintenu à l'équilibre, à une température suffisamment élevée pour que les particules suivent la statistique de Maxwell-Boltzmann. En chaque point de l'espace, la densité des électrons d'énergie a pour forme où est la constante de Boltzmann.
Une page de Wikiversité, la communauté pédagogique libre. Potentiel électrostatique créé par une distribution de charges discrète dans le vide [ modifier | modifier le wikicode] On se place dans un référentiel galiléen. Énergie potentielle électrostatique [ modifier | modifier le wikicode] On considère une charge q₁ en un point O fixe, générant dans l'espace un champ électrostatique. Une charge q₂, soumise à une force électrostatique due à, se déplace alors d'un point A (on pose r A =OA) à un point B (on pose r B =OB). La force de Coulomb est une force conservative, tout comme l'interaction gravitationnelle. Le travail de entre A et B vaut donc Définition On pose l' énergie potentielle électrostatique d'une charge q₂ placée à la distance r d'une charge q₁. Elle est définie à une constante c₁ près. On obtient alors, ce qui traduit bien le côté conservatif de. Potentiel électrostatique créé par une charge ponctuelle dans le vide [ modifier | modifier le wikicode] On définit alors le potentiel électrostatique.
Exercice 1A: Champ électrostatique créé par des charges EXERCICES D'ELECTROSTATIQUE ENONCES Exercice 1A: Champ électrostatique crée par des charges Quatre charges ponctuelles sont placées aux sommets d'un carré de côté a: +q -q Déterminer les caractéristiques du champ électrostatique régnant au centre du carré. Application numérique: q = 1 nC et a = 5 cm. Exercice 4A: Principe du microphone à condensateur Considérons un condensateur constitué de deux armatures planes et parallèles. La distance entre les deux armatures est d = 2 mm. L'aire de la surface de chacune des armatures est S = 100 cm². A U 1- Calculer la capacité électrique C du condensateur. B 2- On charge le condensateur avec un générateur de tension continue: U = +6 V. Calculer la charge des armatures QA et QB. 3- On suppose que le champ électrostatique entre les deux armatures est uniforme. Calculer son intensité E. 4- Calculer l'énergie emmagasinée par le condensateur W. 5- On déconnecte le condensateur du générateur de tension puis on écarte les deux armatures (distance d').
Sachant que le déplacement élémentaire dans ce système de coordonnées s'écrit \(\overrightarrow{dl}(dr, r d\theta, r \sin \theta d\phi)\), trouver l'équation des lignes de champs. Indications: on rappelle que le champ électrique est en tout point tangent aux lignes de champs et qu'ainsi, on peut écrire \(\overrightarrow{dl}=K \times \overrightarrow{E}\). Trouver l'expression du potentiel électrostatique et donnez l'équation des équipotentielles. Indications: Vous devez obtenir deux équations qui définissent le potentiel. Le potentiel est pris nul là où il n'y a pas de charges (à l'infini). si on intègre une fonction à deux variables ((a, b) par exemple), par rapport à une des variables (a par exemple), la constante d'intégration peut dépendre de b. A l'aide de votre calculatrice, dessiner l'allure des lignes de champ et des équipotentielles. Vérifiez que celles-ci sont bien orthogonales l'une à l'autre en tout point. Exercice 5: énergie potentielle d'une distribution de 4 charges identiques Soit quatre charges q identiques formant un carré de côté 2a.
Les vecteurs unitaires que nous utiliserons pour calculer les champs E 1 y E 2 sont représentés en rouge dans la figure. Pour déterminer le sens du vecteur E 1, nous ferrons l'expérience imaginaire qui consiste à placer une charge d'essai (ou charge témoin) positive au point P pour voir quel serait le sens de la force qu'elle subirait en présence de q 1. Comme celle-ci est positive, la charge d'essai serait repoussée, par conséquent E 1 sort de q 1. Rappelez-vous que les charges positives sont des sources de lignes de champ électrique. Nous répétons la même experience pour q 2 afin de déterminer le sens du vecteur E 2. Les champs E 1 et E 2 sont respectivement: Où r est la distance depuis chaque charge au point P. Nous utiliserons le théorème de Pythagore pour trouver r 1 et r 2: Le vecteur unitaire u r1 se détermine en trouvant le vecteur A qui va du point où se trouve q 1 jusqu'au point P puis en le divisant par sa norme. Ce vecteur unitaire va toujours de la charge créée par le champ électrique jusqu'au point où nous souhaitons calculer ce champ.