Introduction à l’électrostatique

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1 Introduction à l’électrostatique
Mahboub Oussama Ce cours comme vous le savez fait partie des cours de la physique fondamentale.

2 Physique 1 (64h cours+TD) Deux éléments de modules
Electrostatique: Magnétostatique: Elément(s) du module Volume horaire (VH) Cours TD TP Activités Pratiques Evaluation VH global Electrostatique 18 2 40 h Magnétostatique 10 24 h VH global du module 28 4 64 % VH 44% 6% 100% Physique 1 est la base du module Physique 5 (électromagnétisme et optique physique) S4

3 Note et rattrapage du module
Electrostatique (2/3 de la note globale du module). L’évaluation de cet élément s’effectue sous la forme de contrôles continus, de devoirs, de contrôles inopinés et de projets Magnétostatique (1/3 de la note globale du module) L’évaluation de cet élément s’effectue sous la forme de contrôles continus, de devoirs et de contrôles inopinés la note minimale requise pour la validation du module : Moyenne de validation de module 10/20 les modalités de prise en considération de la note de rattrapage dans celle du module : Rattrapage du module dans les éléments de module où la note est inférieure à 10/20. La note finale du module après rattrapage ne peut pas dépasser 10/20.

4 Physique fondamentale
La physique Physique fondamentale Physique appliquée - Electrostatique - Magnétostatique - Electromagnétisme Mécanique quantique ….. …. - Electronique - Télécommunication - Electrotechnique ….. …. Le rôle de la physique fondamentale est: Etudier les propriétés de la matière, de l'espace et du temps. Expérimentation et théorie: tenter d'expliquer l'ensemble des phénomènes naturels, en établissant les lois qui les régissent.

5 Électrostatique L'électrostatique est la branche de la physique qui étudie l’ensemble des phénomènes créés par des charges électriques statiques pour l'observateur.

6 L’ électrostatique au quotidien
Où trouve-t-on de l’électrostatique? Enfin presque partout!

7 L’expérience de base de l’électrostatique
On frotte une règle en PVC. La règle est ensuite approchée d’une boule en métal suspendue par un fil La boule, initialement à la verticale, se déplace alors vers la règle. Dès qu’il y a contact, la boule repart alors à l’opposé.

8 Mise en évidence de deux formes d’ électricité

9 Mise en évidence de deux formes d’ électricité
Boules mises en contact avec deux matériaux différents => elles s’attirent Boules mises en contact avec le même matériaux => elles se repoussent Deux corps portant une électricité de même nature se repoussent, tandis qu’ils s’attirent s’ils portent des électricités contraires. L’électricité est capable d’agir à distance et de se déplacer d’un corps à un autre.

10 électroscope

11 Comment expliquer tous ces effets de l’électricité?

12 Charges électriques On explique l’ensemble des effets d’électricité statique par l’existence, au sein de la matière, de particules portant une charge électrique q, positive ou négative, libres de se déplacer. La charge électrique est une quantité physique indivisible. La particule portant cette charge élémentaire est appelée l’électron (e). Dans le système d’unités international, l’unité de la charge électrique est le Coulomb (symbole C=6.24x10 18e ou e=1.6x10-19C) Propriétés de la charge électrique: Indépendantes du référentiel choisi Constante pour un système isolé, La charge électrique élémentaire est un invariant : on ne peut ni la détruire ni l’engendrer (conservation de la charge)

13 Charges électriques - +
Charges qui apparaissent sur le verre frotté s sont des charges positives tandis que l’ambre frotté supportent des charges négatives. + -

14 L’objectif de ce cours est d’étudier l’ensemble des phénomènes créés par des charges électriques statiques (quantifier les forces, le champ, le potentiel electrostatique…)

15 Rappel mathématique Système de coordonnées Surface ouverte et fermée
Champ Angle de solide Analyses vectorielles

16 Systèmes de coordonnées Coordonnées cartésiennes
Le déplacement élémentaire Le volume élémentaire Le produit scalaire de deux vecteurs s’écrit: Le module Le produit vectoriel

17 Systèmes de coordonnées Coordonnées polaires (dans un plan 2D)
Le déplacement élémentaires La surface élémentaires Base associée : et Le produit scalaire Les relations avec les coordonnées cartésiennes

18 Systèmes de coordonnées Coordonnées cylindriques (3D)
Le déplacement élémentaire Le volume élémentaire La base associée : Le vecteur Les relations avec les coordonnées cartésiennes

19 Systèmes de coordonnées Coordonnées sphérique (3D)
Le déplacement élémentaire: Le volume élémentaire: Le surface élémentaire: La base associée Les relations avec les coordonnées cartésiennes Le vecteur s’écrit:

20 Surface ouverte et fermée
Surface fermée C n dS (S) bas haut (S) est une surface ouverte qui s’appuie sur un contour fermé C, on oriente conventionnellement la normale n en un point de la surface à partir du sens de circulation positif sur le contour C (en respectant la règle du tir bouchon) (S) est une surface fermée qui entoure un volume V, on oriente la normale n en un point de la surface de l’intérieur à l’extérieur

21 Angle solide l'angle solide est défini dans l'espace tridimensionnel comme le rapport de la superficie d'une partie d'une sphère sur le rayon au carré. Son unité est le stéradian noté sr. Ω=S/r2 ur dS un angle solide est l'analogue tridimensionnel de l'angle plan ou bidimensionnel Propriétés: L’angle solide Ω est indépendant de la surface choisie L’angle solide Ω sous lequel d’un point intérieur à une surface fermée on voit cette surface vaut 4π L’angle solide Ω sous lequel d’un point extérieur à une surface fermée on voit cette surface vaut 0 L’angle solide Ω sous lequel d’un point on voit un plan vaut 2π

22 Champ Définition En physique, un champ est l’ensemble des valeurs liées à chaque point de l'espace-temps d'une grandeur physique. Cette grandeur physique peut être scalaire (température, pression...),vectorielle (vitesse de particules d'un fluide, champ électrique...) Un champ qui ne dépend pas du temps, est dit permanent ou stationnaire et si il prend la même valeur en tout point de l’espace, il est alors uniforme. Pour caractériser certain grandeur physique, on est amèné à exprimer sa valeur en chaque point de l’espace temps

23 Champ Champ scalaire Champ scalaire : est une fonction de plusieurs variables qui associe un seul nombre (ou scalaire) à chaque point de l'espace. Les champs scalaires sont souvent utilisés en physique, par exemple pour indiquer la distribution de la température à travers l'espace, ou de la pression atmosphérique. Exemple L'image à droite est une représentation graphique du champ scalaire suivant  x y z

24 Champ Champ vectoriel un champ de vecteurs ou champ vectoriel : est une fonction qui associe un vecteur à chaque point d'un espace euclidien. Les champs de vecteurs modélisent par exemple la vitesse et la direction d'un fluide en mouvement dans l'espace, ou la valeur et la direction d'une force, comme la force magnétique ou gravitationnelle, qui évoluent points par points.

25 Gradient d’une fonction
Analyse vectorielle Gradient d’une fonction L’operateur gradient est une grandeur vectorielle indiquant la variation d’une grandeur physique dans l’espace. Les composantes du gradient en coordonnées cartésiennes À retenir: L’opérateur gradient transforme un champ scalaire en champ vectoriel

26 La Circulation et le flux d’un champ vectoriel
définition Flux du champ vectoriel Circulation d’un champ vectoriel La circulation d’un vecteur v le long d’un contour (C): Le flux d’un vecteur v à travers une surface (S) est la quantité scalaire donnée par: La circulation le long d’un contour fermé est notée: Si le champ v dérive d'un gradient, la circulation de v ne dépend que des extrémités (A et B) du chemin et si ce dernier est fermé la circulation est nulle (le champ est à circulation conservative).

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28 Divergence d’un champ vectoriel
Analyse vectorielle Divergence d’un champ vectoriel Les composantes de l’opérateur divergence en coordonnées cartésiennes L’opérateur divergence mesure le caractère divergent d’un champ vectoriel ou plus précisément il mesure le défaut de conservation d’un volume v x y =0 ≠0 y v x À retenir: L’opérateur divergence transforme un champ vectoriel en champ scalaire

29 Rotationnel d’un champ vectoriel
Analyse vectorielle Rotationnel d’un champ vectoriel Les composantes de l’opérateur rotationnel en coordonnées cartésiennes Le rotationnel exprime la tendance des lignes de champ à tourner autour d’un point. V À retenir: L’opérateur divergence transforme un champ vectoriel en champ vectoriel

30 Nabla (opérateur symbolique)
Analyse vectorielle Nabla (opérateur symbolique) Pour écrire de manière plus compacte les opérateurs vectoriels précédent on introduit un opérateur symbolique: L’opérateur gradient s’écrit comme: L’operateur nabla n’est valable qu’en coordonnées cartésiennes L’opérateur divergence est noté: L’opérateur rotationnel est noté:

31 Théorème de Green-Ostrogradski flux-divergence
Soit un volume le volume limité par la surface fermée (S), le théorème de Green-Ostrogradski est donné par la relation suivante: Le flux d’un champ à travers une surface fermée (S) est égal à l’intégrale de sa divergence dans le volume limité par la surface fermée. Ce théorème nous sera utile pour établir la forme locale du théorème de Gauss

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