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Champ cr´e´e par des distributions ponctuelles de charges

Dans le document 1.1 La Charge Electrostatique. (Page 24-28)

2.4.1 Champ cr´ e´ e par deux charges ´ egales

Consid´erons deux charges ´electrostatiques de mˆeme signe et de mˆeme valeurs : +|q[ localis´ees dans l’espace en deux points not´es C et C rep´er´e par x = ±a. Nous allons calculer le champ

´electrostatique en divers r´egions de l’espace.

sur l’axeOy.

Par d´efinition, tous les points M du plan m´ediateur de CC sont ´equidistants de C et de C. Supposons que le pointM est sur l’axeOy eny (si ce n’est pas le cas, il suffit de faire tourner le rep`ere (~i,~j,~k) autour de~i pour que ¸ca le devienne). Nous notons la distance entre une charge et le point objet o`u on calcule le champd=CM =CM = (a2+y2)3/2.

E(M~ ) =E~qC(M) +E~qC(M)

E(M~ ) = Q 4πε0

−−→CM CM3 + Q

4πε0

−−−→CM CM3 E(M~ ) = Q

4πε0

1

d3(−−→CM +−−−→

CM)

Sur la figure ci dessous, on peut voir facilement que−−→CM+−−−→CM est sur l’axeOyet vaut 2y~jce que l’on peut d´emontrer facilement en notant : −−→CM =−a~i+y~j et−−−→CM =a~i+y~j et en additionnant les deux quantit´es. On trouve donc pour le champ sur l’axeOy :

x C

C’

M y

j i

q q

C’M+CM=2y j

Figure 2.2: Champ ´electrostatique cr´e´e par deux charges ´egales sur le plan m´ediateur E(M~ ) = Q

4πε0

2y (a2+y2)3/2~j

- On remarque que ce champ s’annule bien lorsquey→ ±∞Ce fait est tout `a fait g´en´eral s’il n’y a pas de charges `a l’infini.

- La fonction est impaire : E(~ −y) =−E(y) ce qui est dˆ~ u `a la sym´etrie du probl‘eme par rapport

`aOx. Nous reviendrons sur cet aspect plus tard.

Sur l’axeOx.

Le pointM est maintenant en−−→OM =x~i. On a donc−−→CM =−−→OM−−−→OC = (x−a)~iet−−−→CM = (x+a)~i.

Donc le champ surOx est donn´e par :

E(M~ ) =E~qC(M) +E~qC(M) E(M~ ) = Q

4πε0

1

(x−a)2 + 1 (x+a)2

~i

Tout comme la fonction selonOy, on a trouv´e ici une fonction impaire qui s’annule `a l’infini.

En tout pointM = (x, y).

Le pointM est maintenant en−−→OM =x~i+y~j. On a donc :

−−→CM =−−→OM−−−→OC= (x−a)~i+y~j

−−−→CM =−−→OM−−−→

OC = (x+a)~i+y~j D’o`u le champE(M~ ) :

E(M~ ) = Q 4πε0

(x−a)~i+y~j

((x−a)2+y2)3/2 + (x+a)~i+y~j ((x+a)2+y2)3/2

!

Nous avons calcul´e la valeur du vecteur champ ´electrique en tout point (x, y) et nous avons report´e ces r´esultats sur la figure ci dessous.

-10 -5 0 5 10 x

-5 0 5

y

Champ electrique

créé par deux charges égales;

+q +q

Figure 2.3: Champ ´electrostatique cr´e´e par deux charges ´egales.

Ligne de champ.

Nous avons d´eja dit que le champ en lui mˆeme n’´etait pas une grandeur physique et que pour l’observer, il fallait regarder son effet sur une charge ´electrostatique objet. Donc, pla¸cons, ”par la pens´ee”, une charge positiveq `a un endroit quelconque~r, dans le champ ci dessus. Cette charge ressent une force de coulomb ´egaleq ~E(~r). D’apr`es le principe fondamental de la dynamique, cette force met la charge en mouvemement. Comme le champ est dirig´e vers l’ext´erieur en tout point et que la charge est positive,la force de coulomb est dirig´ee vers l’ext´erieur quelque soit la position d’origine. La chargeq >0 seradonc repouss´ee jusqu’`a l’infini.

On pouvait facilement anticiper ce r´esultat puisque toutes les charges ont le mˆeme signe ; elles doivent donc toutes se repousser. 1

Si maintenant, nous pla¸cons une charge n´egative dans le champ, la force que celle ci ressent est oppos´ee au champ. Si cette charge objet est dans le demi-espace d´efini parx >0, elle est attir´ee par la charge source enx=a. Si elle est dans le demi-espacex <0, elle est attir´ee vers la charge source enx=−a.

P Propri´et´e 21 : Si les charges sources sont toutes positives, les lignes de champ vont des charges vers l’infini.

P Propri´et´e 22 : Si les charges sources sont toutes n´egatives, les lignes de champ vont de l’infini vers les charges.

2.4.2 Champ cr´ e´ e par deux charges oppos´ ees.

De la mˆeme fa¸con que pr´ec´edemment, on allons calculer le champ ´electrique cr´e´e par deux charges oppos´ees. Supposons que nous avons une charge +|q|au pointCde coordonn´eex=aet une charge

−|q|au pointCde coordonn´eex=−a. En reprenant les mˆemes notations que pr´ec´edemment, on a maintenant :

E(M~ ) = Q 4πε0

1

d3(−−→CM−−−−→

CM)

1Nous n´egligeons ici, le principe d’action r´eaction qui voudrait que les charges sources ressentent aussi l’action de la charge objet et subisse une force qui devrait les mettre en mouvement.

ce qui conduit de fa¸on g´en´eral `a : E(M~ ) = Q

4πε0

(x−a)~i+y~j

((x−a)2+y2)3/2 − (x+a)~i+y~j ((x+a)2+y2)3/2

!

Sur l’axeOy.

, la contribution du champ selon l’axeOys’annule et on a : E(M~ ) =− Q

4πε0

2a (a2+y2)3/2~i

qui est dirig´e selon−x. De plus cette quantit´e tend bien vers 0 quandy→ ∞ Sur l’axeOx.

La contribution sur l’axeOx, qui l’axe de sym´etrie du syst`eme est : E(M~ ) = Q

4πε0

x−a

|x−a|3/2 − x+a

|x+a|3/2

~i

- quandxtend vers±∞, cette fonction tend bien vers 0 - quandx= 0, on obtient bien la mˆeme chose qu’au dessus.

En tout pointM(x, y)

Le champ ´electrostatique qui r`egne partout dans l’espace est trac´e sur la figure ci dessous. Il a ´et´e calcul´e num´eriquement en tout point du plan.

-10 -5 0 5 10

x -5

0 5

y

Champ electrique

créé par deux charges opposées

-q +q

Figure 2.4: Champ ´electrostatique cr´e´e par deux charges oppos´ees.

Ligne de champ.

Choisissons un pointM(x, y) quelconque dasn le plan mais pas sur l’axeOx.

Pla¸cons enM une chargeq >0. Cette charge ressent un force de Coulomb dirig´ee dans le sens de la ligne de champ enM. Elle est donc mise en mouvement dans le sens de la ligne de champ.

Nous constatons que sa trajectoire l’emm´enera sur−Q.

En ce mˆeme point M(x, y), pla¸cons maintenant une chargeq <0. La charge q ressent une force oppos´ee aux lignes de champ. Nous voyons qu’en remontant les lignes de champ, la trajectoire de cette charge fini sur +Q.

L’axeOxest ici particulier : c’est l’axe de sym´etrie du probl`eme. Si une chargeq >0 est plac´ee sur l’axeOxenx > a, la force qu’elle ressent est dirig´ee selonOx. Elle a une trajectoire qui tend

`

a expulser les charges jusqu’`a l’infini.

Si `a la place de la chargeq >0, on place une charge q <0, celle ci adoptera une trajectoire qui l’emmenera sur +Q.

On donc la deux lignes de champ particuli`eres qui sont sur l’axe de sym´etrie du syst`eme : - l’une va de−∞`a−Q

- l’autre va de∞`a +Q

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